1

MEd C - AC PROGRAM (acronim): CEEX Nr. Înregistrare..........Data…………. Modul: I Pagina:

RAPORT DE CERCETARE

Denumirea proiectului: Sistem robotic miniatural cu abilităţi de reconfigurare şi de auto-multiplicare – ROMAR

Număr contract: 91 CEEX – II 03/31.07.2006 Conducător proiect: Universitatea “POLITEHNICA din Bucureşti – Centrul de Cercetare-Dezvoltare pentru Mecatronică (UPB-CCDM) Perioada raportată (Nr.etapă/perioada de realizare): 1/ 01.08.2006 – 15.12.2006 DIRECTOR PROIECT, Prof.dr.ing. Constantin NIŢU Studiu teoretic şi experimental pentru elaborarea soluţiilor

privind componentele de bază ale modulelor

COLECTIV DE LUCRU

Prof.dr.ing. Constantin NIŢU Prof.dr.ing. Mircea IVĂNESCU Prof.dr.ing. Nicolae ALEXANDRESCU Prof.dr.ing. Mircea NIŢULESCU Prof.dr.ing. Istvan SZTOJANOV Prof.dr.ing. Viorel STOIAN Conf.dr.ing. Ovidius TRUFAŞU Conf.dr.ing. Dorin POPESCU S.l.dr.ing. Bogdan GRĂMESCU S.l.dr.ing. Marius NICULESCU S.l.dr.ing. Silvia MIU Drd.ing. Ionuţ RESCEANU Dr.ing. Cristian ALIONTE Drd.in. Alice PREDESCU

Prof.dr.ing. Dan MÂNDRU Prof.dr.ing. Luciana CRISTEA Conf. dr.ing. Radu BĂLAN Prof.dr.ing. Adrian DUMITRIU S.l. dr.ing. Olimpiu TĂTAR Prof.dr.ing. Ciprian OLTEANU

Drd.ing. Sorin BESOIU Prof.dr.ing. Sorin ZAMFIRA Drd.ing. Ciprian LĂPUŞAN Drd.ing. Radu TÂRULESCU Drd.ing. Mihai MĂNESCU Dr.ing. Aurel ABĂLARU

2

1. Introducere

În raportul privind analiza structurilor roboţilor modulari reconfigurabili, s-au făcut

referiri constructive la realizările cunoscute în domeniul roboticii modulare, cu posibilităţi de

reconfigurare. Se pot menţiona M-Tran II (Distributed Systems Design Research Group –

Tsukuba, Japonia), Polybot (Xerox-Palo Alto Research Center, SUA), Telecube (Xeroc-

PARC), CONRO (University of Southern California - Los Angeles), Crystalline şi Molecule

(Dartmouth Robotics Lab., SUA), I-Cube ( Advanced Mechatronics Laboratory – Carnegie

Mellon University), Atron (Adaptronics Group -University of Southern Denmark), Titech

(Tokyo Institute of Technology).

Modulul M-TRAN II este compus din doua piese semicilindrice, articulate fiecare cu o

a treia, cu rol de actuator. Mecanismul elementar are 2 grade de mobilitate. Deşi cele două

articulaţii motoare permit rotaţii în acelaşi plan, combinarea acestora prin conexiunea

modulelor pe suprafeţe ortogonale, compensează acest dezavantaj. Mecanismul de

conectare/deconectare este constituit din magneţi permanenţi, arcuri neliniare şi actuatori din

aliaje cu memorie a formei (AMF). Traiectoria dorită a ansamblului este comandată

centralizat, cu ajutorul unui PC în care este stocată o bază de date privind regulile de

deplasare.

Generaţia a 3-a a Polybot este, în ceea ce priveşte structura mecatronică, gradul de

integrare, miniaturizare şi utilizare a tehnologiilor MEMS, una dintre cele mai reuşite

realizări. Are motoare de înaltă calitate, o multitudine de senzori şi conectori cu formă

adecvată cuplării/decuplării (gaură şi zăvor blocat cu actuatori AMF). Comunicaţia între

module este obţinută via magistrală CAN (Controller Area Network) de înaltă performanţă,

pentru control distribuit. Pe lângă avantajele evidente ale utilizării acestor numeroase

componente ale tehnologiei de vârf, consumul mare de energie a condus la dezavantajul că

modulele Polybot nu au baterii, deci sunt necesare fire pentru alimentare. Suplimentar, ele au

numai 2 suprafeţe de conectare pe modul, ceea ce permite doar configuraţii de tip şarpe.

Comanda robotului Polybot este centralizată ca şi la M-Tran. Există un tablou al datelor de

control pentru fiecare modul, în corespondenţă cu configuraţia dorită, din care se selectează

mesajele transmise modulelor.

Telecube a fost dezvoltat, ca şi Polybot, cu maximum de dotare mecatronică. Este o

structură de tip latice, concretizată într-o reţea cubică. Modulul de bază îşi poate deplasa

suprafeţele exterioare cu ajutorului unor actuatori liniari telescopici. Prin dispunerea în stivă a

modulelor şi deplasarea componentelor se obţine schimbarea configuraţiei robotului şi

deplasarea ansamblului.

3

Robotul CONRO este compus din module dotate cu câte 2 servomotoare, care asigură

rotaţia în jurul a 2 axe perpendiculare. Fiecare modul este autonom, având microcontroler,

senzori şi baterii înglobate. Cuplarea modulelor este complet autonomă şi se realizează în 3

paşi: deplasarea modulelor cu comandă în buclă deschisă pentru alinierea grosieră a

senzorilor IR; deplasarea modulelor cu comandă în buclă închisă pentru alinierea precisă a

acestora cu reacţie inversă de la senzorii IR şi cuplarea propriu-zisă a pinilor şi mecanismelor

de zăvorâre.În timpul acestei ultime faze, se efectuează mişcări de mică amplitudine şi

frecvenţă mare pentru învingerea frecărilor. Sunt necesare 3 minute pentru o astfel de

cuplare, iar rata succesului este de 80%.

Robotul “Crystalline” are o structură de tip latice bidimensională, în ale cărei noduri

sunt plasate module de formă paralelipipedică. Actuatorii liniari ai acestora realizează

alungirea / contractarea lor în fiecare direcţie cu factorul 2. Două din cele patru feţe conţin

conectori pasivi (canale) sau conectori activi (tije) ce se pot bloca prin rotaţia tijei.

Robotul “Molecule” reproduce structura unei molecule formate din 2 “atomi”,

conectaţi printr-o piesă de legătură. Fiecare element “atomic” se poate roti cu 180 de grade în

jurul acestei legături, realizându-se o deplasare tridimensională, prin faptul că axele de rotaţie

ale elementelor “atomice” sunt perpendiculare. Conectorii utilizaţi pentru cuplarea modulelor

utilizează un mecanism prehensor ale cărui braţe (tată) sunt comandate cu ajutorul unui

mecanism melcat către zonele corespunzătoare de pe suprafaţă (mamă).

Datorită structurii de reţea cristalină, aceşti roboţi nu pot realiza mişcări ample precum

roboţii de tip lanţ, dar sunt o bună platforma de studiu a planificării mişcării, calculului paralel

şi de optimizare a traiectoriei.

I-Cube reprezintă un sistem robotic modular reconfigurabil, compus din articulaţii cu

trei grade de libertate şi elemente pasive de conectare. Conectarea se poate face prin

deplasarea de la un cub la altul, prin deplasarea către un cub, în timp ce modulul se află ataşat

la un altul, etc. Conexiunea foloseşte un sistem mamă/tată şi este similară cu robotul

“Cristalline”. Această construcţie permite identificarea de noi posibilităţi de proiectare şi

acţionare. Abordarea unei astfel de articulaţii mobile este unică, dar încă nu sunt informaţii

despre starea actuală a proiectului.

Atron a fost realizat ca parte a proiectului HYDRA, proiect european finanţat de

Information Society Technologies (IST) Programme 6. Este un sistem de tip reţea cristalină ce

are la bază un modul format de două emisfere cu posibilităţi de rotaţie relativă în jurul unei

axe ce trece prin centrul acestuia. Există câte 4 conectori tangenţiali pentru fiecare emisferă.

Schimbările de configuraţie se obţin prin rotaţii cu 90 de grade în jurul ecuatorului.

Comunicaţia se bazează pe dispozitive IR integrate în conectori. Informaţiile cu privire la

4

comandă sunt puţine, rezultând din cuvintele cheie utilizate: controler bazat pe reguli,

metamodule, algoritmuri de forţă virtuală, gradient şi genetici.

Dintre specificaţiile funcţionale ale acestui tip de roboţi, au fost menţionate

posibilitaţile de reconfigurare şi auto-multiplicare prin cuplarea / decuplarea modulelor

proprii sau a unora suplimentare, existente în scena de lucru. Se pot identifica drept cerinţe

suplimentare utilizarea la maximum a unui număr redus de componente mecanice şi concepţia

modulară a modulului însuşi, pentru a permite modificarea sa prin înlocuire sau prin adăugare

de componente.

La cel mai redus nivel de complexitate (număr minim de module), sistemul robotic

care se găseşte într-o anumită configuraţie trebuie să fie capabil să îndeplinească funcţiile

unui robot cu structură fixă de aceeaşi configuraţie (locomoţie, manipulare, etc.) De exemplu,

un robot şarpe modular trebuie să realizeze deplasarea utilizând ondularea corpului, ca şi un

robot şarpe similar ne-reconfigurabil. Similar, un hexapod modular trebuie să poată realiza

deplasări înainte, înapoi, laterale sau rotiri, ca şi un hexapod cu structură fixă. Dificultăţile de

concepţie a unui sistem robotic modular, care realizează acţiuni ale unor roboţi cu diferite

topologii, se reflectă în cele legate de concepţia hardware şi software a modulelor. Cei mai

mulţi roboţi modulari nu au abilităţi inter-metamorfice (transfer de module între roboţi),

transferul de module, respectiv noua formă, fiind decise şi realizate manual de un operator.

Prin urmare, astfel de roboţi evoluează ca roboţi cu formă fixă.

La următorul nivel de complexitate (număr suficient de module), robotul cu

capacităţi intra-metamorfice (reconfigurare cu transfer al modulelor proprii) trebuie să fie

capabil să îşi rearanjeze modulele în diferite configuraţii. Această proprietate permite

robotului atât să-şi schimbe forma, cât şi să efectueze o auto-reparaţie prin înlocuirea unui

modul defect cu unul de rezervă, ori să creeze, din module, un robot similar lui. Robotul

trebuie să aibă deci hardware-ul şi software-ul adecvate pentru a rezolva această problemă de

poziţionare şi să separe acţiunile de reconfigurare de cele de locomoţie. Numărul de

configuraţii posibile este determinat, în parte, de numărul de conectori ai modulelor.

Conectorii trebuie să fie identici şi simetrici pentru a permite conectarea nepreferenţială a

oricărui modul. Doi conectori pe modul (câte unul la extremitatea fiecărui modul) permit

construcţia unor structuri liniare, similare şerpilor. Construcţia unor structuri ramificate

necesită utilizarea mai multor conectori. De exemplu, un hexapod poate fi construit cu module

având un conector la o extremitate şi 3 la cealaltă.

La cel mai înalt nivel de complexitate (numărul maxim de module), un robot cu

capacităţi inter-metamorfice trebuie să fie capabil să creeze doi roboţi diferiţi sau să se

reunească cu un robot similar, pentru a crea unul singur mai mare. De aceea, proiectarea

5

modulelor trebuie să garanteze că împărţirea robotului nu conduce la diminuarea inteligenţei

sau puterii necesare pentru funcţionarea corectă a noilor roboţi. Operaţia de cuplare adaugă

două noi cerinţe asupra sistemului robotic. Prima este că un robot trebuie să comunice la

distanţă cu altul pentru a cere şi accepta operaţia de alipire şi, de aceea, el trebuie să fie

prevăzut cu un sistem de comunicare wireless. A doua condiţie este ca robotul să poată genera

un semnal de balizare, pentru a ghida celălalt robot către el, de la distanţă.

Relativ la componentele hardware, un modul care suportă reconfigurare (inter-

metamorfică) trebuie să garanteze că roboţii creaţi prin operaţia de separare trebuie să fie

complet echipaţi. La limită, un robot poate separa un singur modul, deci acesta trebuie să fie

calificat ca un robot, adică să fie complet echipat, respectiv trebuie să aibă propriul sau

procesor, sursă de energie şi controlul asupra propriilor săi senzori şi actuatori. Conceptul de

echipare completă se deosebeşte de cel de autonomie, care se referă la capacitatea unui robot

nu neapărat mobil, de a executa sarcini în mod automat, adică posedă software-ul necesar

acestui mod de operare, fără intervenţia factorului uman. Prin urmare, componentele hardware

strict necesare evoluţiei preconizate sunt motoarele de acţionare, sistemele de comandă,

comunicaţii şi senzoriale, sursele de energie şi mecanismele de cuplare.

În ceea ce priveşte motoarele, opţiunile posibile sunt limitate de sursele de energie

portabile (în curent continuu) şi au fost cercetate experimental, rezultatele fiind consemnate

într-un raport de încercări ataşat.

Componentele specifice modulelor vor fi analizate în continuare.

2. Analiza structurii modulelor în corelaţie cu locomoţia şi cuplarea acestora

Generarea miscarii are loc prin conectarea si deconectarea celulelor in lungul directiei

de deplasare. Celula (modulul) se poate realiza cu diferite corpuri geometrice (prisme, cuburi,

cilindri sau asociatii ale acestora), conectate prin cuple de rotatie sau translatie.

În figurile 1 şi 2 sunt prezentate exemple ale unor module precum şi modul de

conectare.

6

Fig. 1

7

Fig.2

Locomoţia roboţilor de acest tip se realizeaza prin metode de deplasare specifice sistemelor

mobile miniaturizate, robotizate, după cum urmează:

A) Târâre - utilizand module prismatice, cubice, cilindrice sau combinatii ale acestora,

conectate intre ele prin cuple de rotatie [1];

a) modul cilindric oblic. b) realizarea locomotiei prin tarare - utilizand module complexe [1]:

a) dispunerea liniara a modulelor b) modul elementar c, d) realizarea locomotiei prin tarare - utilizand module cubice (cele mai utilizate), conectate prin cuple de translatie;

8

Etapele locomotiei prin târâre utilizând module cubice

B) Păşire - utilizand module cubice (cele mai utilizate), conectate prin cuple de translatie; [1]

Etapele locomotiei prin pasire utilizand module cubice

sau: prin intermediul picioarelor [2]:

C) Pasire combinat cu tarire, [3];

D) Inchworm; (Inchworm locomotion uses friction with the ground to move a group of unit-

compressible modules forward) [4a]

9

E) Traveling wave – locomoţie pe principiul undei deplasabile (călătoare) (fig a). În aceasta

categorie intră robotii care imita locomotia serpilor - locomotia concertina sau locomotia

serpentiforma (prin utilizarea modulelor cilindrice drepte [1] inseriate pe roti)

a) dispunerea liniara a modulelor b)modul elementar

F) Rostogolire (fig. b)[2];

La aceste metode se adaugă şi rostogolirea combinată cu inchworm.

G) Deplasare pe principiul cascadei

În figura de mai jos este ilustrat acest mod de locomotive: robotul porneste ca un singur cub

(a) dar se divide in patru (b) si (c), pentru explorare in parallel, deplasandu-se pe principiul

cascadei (caderii de apă) – modaliate inspirtă de unele automate celulare.

H) Cǎţǎrare [5a] – în figurile de mai jos este ilustrata deplasarea pe scări prin aceasta metoda

de locomotie

10

I) Locomoţie prin rasturnare / prabusire (tumbling)[5b] – aceasta modalitate reprezinta un

caz particular al metodei de deplasare prin rostogolire. Modulele din structura se misca astfel

incat intregul ansamblu devine instabil si se rastoarna intr-o noua pozitie. Neregularitatile

suprafetei nu pot impiedica modulele sa ajunga in locatiile noi.

J) Locomoţie pe roti, [8]

K) Locomoţie pe senile, [7]

L) Locomoţie de tip Atomic Motion, [8]

Aceasta modalitate de deplasare pate fi de trei feluri, si anume: pivot motion (a), forward-roll

motion (b) combinat de trecere de la una la alta.

a b

c Actionarea subsistemelor de locomotie si de conectare / deconectare este asigurata de:

electromagneti (celulele sunt conectate intre ele prin actionarea unor forte (ex.

electromagnetice); motoare pas cu pas (+ transmisie surub-piulita); motoare de curent

continuu (+ reductor); SMA (tip arc) + magneti permanenti; electromagneti + magneti

permanenti; pneumatic.

11

Analiza comparativa a unor exemple din punctul de vedere al sistemelor de actionare: 1. Fei Yanqiong, Zhao Xifang, Design and dock analysis for the interactive module of a

lattice-based self-reconfigurable robot, Robotics and Autonomous Systems (2006),

doi:10.1016/j.robot.2006.07.006 [1.pdf]

- Fiecare modul conţine un motor Maxon cu reductor, un microprocesor, şase

dispozitive de conectare cu alte module, un emiţător/receptor în infraroşu pentru

comunicarea cu alte module şi senzori;

- Motorul de curent continuu este utilizat atât pentru cuplarea cu alte module cât şi

pentru „deplasare”;

- Utilizează un sistem complex de transmisii prin curea şi cuplaje (fig. 3);

- Deplasarea relativă a modulelor este posibilă doar în cazul în care unul dintre acestea

este legat la o bază fixă (fig.4);

Fig.4

Fig.3

12

2. Michael Rubenstein, Kenneth Payne, Peter Will, and Wei-Min Shen - Docking Among

Independent and Autonomous CONRO Self Reconfigurable

Robots [221.pdf]

- Mecanism de cuplare separat cu aliaje cu memoria formei (fig. 5);

- Fiecare modul are 2 grade de mobilitate (două rotaţii) unul pentru mişcările stânga-

dreapta şi unul pentru mişcările sus-jos;

- Pentru acţionare sunt utilizate servomotoare comandate de un microcontroler PIC

- Deplasarea este posibilă atât independent cât şi prin cuplarea mai multor module

(fig.6);

- Soluţie constructivă simplă;

3. Eiichi Yoshida, Satoshi Murata, Akiya Kamimura, Kohji Tomita, Haruhisa Kurokawa,

Shigeru Kokaji - A Self-Reconfigurable Modular Robot: Reconfiguration Planning and

Fig.5

Fig.6

13

Experiments, The International Journal of Robotics Research Vol. 21, No. 10–11, October-

November 2002, pp. 903-915 [903.pdf]

- Mecanism de cuplare separat cu magneţi permanenţi şi aliaje cu memoria formei;

- Fiecare modul are două grade de mobilitate (două rotaţii), pentru acţionare fiind

folosite servomotoare comandate de un microcontroller PIC (fig. 7);

- Unghiul de rotaţie al servomotoarelor este de ± 900;

- Fiecare modul se poate deplasa prin rostogolire sau târâre (fig.8 a, b);

4. Efstathios Mytilinaios, Mark Desnoyer, David Marcus, and Hod Lipson – Designed and

Evolved Blueprints For Physical Self Replicating Machines [Alife04_M.pdf]

- Sistem de cuplare separat cu electomagneţi;

- Fiecare modul are un singur grad de mobilitate (o rotaţie) pentru acţionare fiind

utilizat un servomotor comandat de un microcontroler PIC;

- Deplasarea este posibilă doar prin cuplarea mai multor module (fig.9);

Fig. 7

a) b)

Fig. 8

14

5. Morten Winkler Jørgensen, Esben Hallundbæk Østergaard and Henrik Hautop Lund –

Modular ATRON: Modules for a self-reconfigurable robot, Proceedings of 2004 IEEE/RSJ

International Conference on Intelligent Robots and Systems September 28 - October 2, 2004,

Sendai, Japan [atron_iros2004.pdf] - Structură mecanică foarte complicată cu multe transmisii (fig. 10);

- Mecanism de cuplare separat acţionat de un motor de curent continuu şi un reductor

melc-roată melcată;

- Fiecare modul are un singur grad de mobilitate (o rotaţie 1800)

- Deplasarea se poate realiza prin cuplare mai multor module (fig.11);

- Pentru acţionare se utilizează un motor de curent continuu comandat de un

microcontroler Atmel AT Mega8

Fig.9

Fig.10

Fig.11

15

6. Jackrit Suthakorn, Andrew B. Cushing, Gregory S. Chirikjian – An Autonomous Self-

Replicating Robotic System Proceedings of the 2003 IEEE/ASME International Conference

on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2003) pp137-142 [auton.pdf]

- Realizat din module LEGO (fig.12)

- Mecanism de cuplare cu magneţi permanenţi;

- Acţionarea se face cu motoare de cc cu reductor integrat;

7. Ben Salem – Development of PetRo: A Modular Robot for Pet-Like Applications

[Boston_SPIE_PetRo.pdf]

- Pentru acţionare se folosesc motoare pas cu pas (fig.13)

- Fiecare modul are 14 grade de mobilitate;

- Modulele se pot deplasa independent (fig.14)

Fig.12

Fig.11

16

- prin cuplarea mai multor module se pot realiza mişcări complexe

8. Andres Castano, Wei-Min Shen, Peter Will – CONRO: Towards Deployable Robots With

Inter-Robot Metamorphic Capabilities [conro.pdf]

- Acţionare cu motor de curent continuu MicroMo şi reductor de turaţie (fig.15)

- Modulele au un singur grad de mobilitate(o rotaţie)

- Există şi variantă de acţionare cu servomotoare de cc (fig.16)

- pentru mişcări complexe este necesar un nr.mare de module

Fig. 14

Fig.15

Fig.16

17

- cuplarea modulelor se face manual

9. Robert Fitch, Daniela Rus, Marsette Vona – A Basis for Self-Repair Robots UsingSelf-

Reconfiguring Crystal Modules [ias00.pdf]

- modulele sunt acţionate de motoare de cc LEGO Mini-Motor prin intermediul unei

transmisii pinion cremalieră (fig.17);

- soluţie constructivă complexă;

- Mecanism de cuplare separat acţionat de un motor de cc;

- Deplasarea este posibilă doar prin cuplarea mai multor module

10. Keith Kotay and Daniela Rus – Eficient Locomotion for a Self-Reconfiguring

Robot (ICRA05a.pdf)

- pentru deplasare sunt necesare min două module fiecare cu două grade de mobilitate

(fig.18 şi 19)

- acţionarea se face cu motoare de current continuu si angrenaj melc roata melcată

pentru mecanismul de cuplare (fig.20) respective cu motor de current continuu şi

angrenaj cu roţi dinţate pentru cele două grade de mobilitate;

- soluţie constructivă foarte complexă cu nr. mare de motoare;

- modulele nu au posibilitatea de deplasare individuală

Fig.17

Fig.18

18

3. Mecanisme de cuplare cu aliaje cu mememorie a formei Un mecanism de cuplare trebuie să aibă randament mare, siguranţă în funcţionare, să

fie compact şi să permită legarea între oricare două module. Metodele de conectare

existente sunt variate, funcţie de sistemul ales pentru realizarea fizică a legăturii dintre

module, de natura energiei pentru aceasta operaţie, dar pot fi încadrate în următoarele:

- penetrare şi potrivire de formă, urmată de blocare printr-o forţă elastică. Pentru

deconectare este necesară o forţă activă, care poate fi generată de un actuator din aliaj cu

memorie a formei (AMF).

- conectarea prin forţă magnetică şi deconectarea cu ajutorul unui actuator AMF în

formă de arc.

Avantajul soluţiei mecanice este dat de siguranţa mare a legăturii ce rezistă la apariţia

de forţe laterale, dar necesită în schimb o bună aliniere în faza de conectare. Doi conectori pe

modul (câte unul la extremitatea fiecărui modul) permit construcţia unor structuri liniare,

similare şerpilor. Construcţia unor structuri ramificate necesită utilizarea mai multor conectori

(un hexapod poate fi construit cu module având un conector la o extremitate şi 3 la cealaltă).

In continuare sunt analizate câteva sisteme de conectare a modulelor:

Fig.19

Fig.20

19

La robotul CONRO se foloseşte un mecanism de cuplare separat cu aliaje cu memoria

formei (fig.21)

Fig,21

Cuplarea modulelor este complet autonomă şi se realizează în 3 paşi: deplasarea modulelor

cu comandă în buclă deschisă pentru alinierea grosieră a senzorilor IR; deplasarea modulelor

cu comandă în buclă închisă pentru alinierea precisă a acestora cu reacţie inversă de la

senzorii IR şi cuplarea propriu-zisă a pinilor şi mecanismelor de zăvorâre.În timpul acestei

ultime faze, se efectuează mişcări de mică amplitudine şi frecvenţă mare pentru învingerea

frecărilor. Sunt necesare 3 minute pentru o astfel de cuplare, iar rata succesului este de 80%.

La robotul M-Tran II, conectarea intre modulele ce alcatuiesc robotul se face prin

intermediul unor magneti permanenti, arcuri neliniare si a unor actuatori cu memoria formei.

Fig.22. Mecanismul de conectare

Conectarea prin intermediul magnetilor permanenti ofera avantajul unei mai mari precizii in

momentul efectuarii cuplarii, insa o astfel de cuplare necesita o proiectarea mama/tata datorita

polaritatii magnetilor. Mecanismul de cuplare intre modulele robotului este prezentat in figura

22.

Cuplarea prin intermediul aliajelor cu memorie a formei este utilizată şi în cazul

robotului reconfigurabil de tip lant, Polybot .

Un exemplu detaliat de mecanism de cuplare, acţionat prin aliaje cu memorie a formei

este prezentat în figura 23.

20

.

Fig.23

4. Actuatori pe bază de aliaje cu memorie a formei Efectul de memorare a formei

Actuatorii pe bază de aliaje cu memoria formei (AMF) au în structură unul sau mai

multe elemente active, cu deformaţie limitată, controlată, determinată de transformarea

structurii interne a materialului la o anumită temperatură – efectul de memorare a formei

(EMF).

Memoria formei reprezintă proprietatea termomecanică a unor anumite aliaje de a

reveni la o formă şi dimensiuni “memorate”, ca urmare a unei transformări reversibile

martensită-austenită, în anumite condiţii de temperatură. Un element dintr-un material pe bază

de AMF este uşor deformabil în faza martensitică. El îşi păstrează starea deformată atâta timp

cât se menţine temperatura respectivă. Prin încălzirea peste temperatura de transformare de

fază, elementul revine spontan la forma originală, nedeformată, corespunzătoare fazei

austenită, aşa cum este prezentat în figura 24. După ce aliajul este răcit şi are loc

transformarea de fază inversă materialul devine din nou deformabil .

Transformările de fază se produc într-un interval de temperatură, în condiţiile unui

histerezis termic H, prezentat în figura 25. Uzual, temperatura de transformare a aliajelor din

gama Nitinol, Flexinol, au temperaturi de transformare în jurul valorii de 70°C. Se pot obţine

aliaje cu temperaturi mai ridicate de transformare, care favorizează creşterea numărului de

21

Lungimea

Temperatura Mf Ms As Af

H

cicluri încălzire-răcire în unitatea de timp, este necesară mai multa energie pentru încălzire,

aceste aliaje fiind recunoscute pentru randamentul slab comparativ cu elementele de execuţie

convenţionale. Se mai utilizeză pentru anumite aplicaţii şi aliaje care trebuiesc răcite pentru a

se ajunge la temperatura de transformare, acestea fiind active la temperatura ambiantă.

Fig 24 Efectul de memorare a formei Fig. 25 Reprezentarea grafică a histerezisului

Efectul de memorare a formei este însoţit de modificarea unor caracteristici ale

materialului: proprietăţile mecanice ale aliajului, rezistivitate electrică, coeficient de dilatare

termică, forţa electromotoare, conductivitate termică, limită de curgere, capacitate calorică.

Cea mai directă metodă de caracterizare a transformării în aliajele cu memoria formei

recomandată în literatura de specialitate este prin scanarea calorimetrică diferenţială, SCD.

SCD masoară cantitatea de căldură absorbită sau cedată de o mică mostră de material

în timp ce este încălzită şi răcită pe parcursul gamei temperaturii de transformare. Mostra

poate fi foarte mică, de câteva miligrame şi deoarece asupra mostrei nu se aplică nici o

solicitare, nu este considerat ca şi un factor în măsurare.Vârfurile endoterme şi exoterme, în

timp ce mostra absoarbe sau cedează energie din cauza temperaturii, sunt uşor măsurabile

pentru începutul vârfului şi sfârşitul schimbării de fază în orice direcţie.

Fig. 26 Caracteristica variaţiei rezistenţei electrice cu temperatura

şi tensiune-deformatie Tot prin metoda SCD se poate măsura rezistivitatea mostrei în timp ce este încălzită şi

răcită. Aliajul manisfestă schimbări interesante şi vârfuri ale rezistivităţii de până la 20%

22

peste gama temperaturii de transformare; totuşi, corelarea acestor schimbări cu faza

schimbării măsurate sau cu proprietăţile mecanice nu a fost intotdeauna foarte bună .

Efectul de memorare a fomei poate fi utilizat în aplicaţii specifice micromecatronicii

deoarece conferă următoarele avantaje:

• asigură cel mai mare raport lucru mecanic/volum, din acest punct de vedere, actuatorii pe

bază de aliaje cu memoria formei fiind consideraţi cei mai puternici ;

• au capacitatea de a reveni la forma memorată prin alungire, scurtare, îndoire, răsucire astfel

încât este posibil să se obţină o gamă foarte variată de mişcări

Structura mecanică asociată a actuatorilor pe bază de AMF

Numărul mare de parametri care caracterizeaza functionarea actuatorilor pe bază de AMF,

face ca strategia de proiectare să fie organizată urmărind componentele de bază din structura

unui sistem de acţionare. Structura mecanică are rolul de a susţine elementele active şi asigură

transformarea efectului de memorare a formei într-o acţiune utilă. Totodată, structura

mecanică are şi rolul de a asigura forţa de relaxare necesară pentru ca elementul activ să

revina complet la forma sa initială în faza martensitică. De asemenea, structura mecanică

poate avea şi rolul de a realiza conversia şi propagarea semnalului, mai ales în cazul

microactuatorilor.

Modalităţile de asigurare a forţei de relaxare sunt prezentate în figura 27:

a) prin efect gravitaţional

b) prin utilizarea unui element elastic

c) prin utilizarea a doi actuatori pe bază de SMA în configuraţie antagonica

d) prin utilizarea forţei de atracţie dintre doi magneţi permanenţi

2

2'

1

3 x

GFrelax

2

4

2'

1

x

2

5

2'

1

x

2''

Frelax

x

Frelax

x

Frelax

x

2

3

2'

1

x

Frelax

x

NS

a b c d

Fig. 27 Modalităţi de generare a forţei de relaxare

23

La proiectarea structurii mecanice se urmăreşte creşterea numărului maxim de cicluri

de activare, precum şi utilizarea celei mai eficiente soluţii de asigurare a forţei de relaxare.

Una din direcţii de cercetare constă în proiectarea optimală a mecanismelor de relaxare pentru

actuatori miniaturiali, astfle încât să satifacă condiţiile restrictive legate de gabarit şi

funcţionalitate.

Comanda actuatorilor pe bază de AMF Sistemul de comandă al actuatorilor pe bază de AMF trebuie să asigure curentul

necesar pentru funcţionarea în parametrii optimi, dar să nu producă o depăşire a puterii

maxime disipate pe elementul activ, ceea ce ar conduce la supraîncălzire şi la pierderea

efectului indus. Respectând restricţia energetică impusă, sistemele de comandă ale AMF pot fi

realizate astfel [9]:

• cu reglare pasivă a intensităţii, printr-o rezistenţă R reglabilă aşa cum este prezentată în

figura 29;

• cu reglare activă şi menţinerea constantă a intensităţii curentului, asigurând controlul

puterii disipate prin controlul tensiunii de alimentare, fig. 30;

• reglare prin implementarea unor circuite de modulare a impulsurilor în lăţime. Un astfel

de circuit, a fost propus în lucrarea [8] şi este prezentat în fig. 31, fig. 32.

SW11 2

U1

SMA12

V1

R3

Fig.29 Reglare pasivă, schema de principiu şi implementare

Io ct

Sursa reglabilaU2LM78xx

1

3

2Vin

GN

D VoutR4RC1

0.33pFU1

SMA

1 2

Fig. 30 Reglare activă, schema de principiu şi implementare

24

6V

LM555

2

5

37

6

4

8

1Trigger

Control Voltage

OutputDischarge

Threshold

Reset

VCC

GND

R11M

13

2

C20.1uF

Q1IRF840

2

1

3

C30.1uF

R2AMF

LM555

2

5

37

6

4

8

1Trigger

Control Voltage

OutputDischarge

Threshold

Reset

VCC

GND

R42K8

R382K

C10.1uF

C4500pF

Fig 31 Reglare prin PWM, schema de principiu

În lucrarea [10] sunt prezentate soluţii de acţionare pentru un actuator pe bază de

AMF, comenzile de activare fiind generate prin intermediul calculatorului. Astfel, autorul,

aduce în atenţie problemele specifice limitării curentului absorbit de către elementele active

pe bază de AMF. Proiectarea unui sistem de comandă adecvat prezintă patrticularităţi

deosebite dacă se utilizează ca elemente de acţionare mai multe elemente active din aliaje cu

memoria formei. Un sistem de comandă pentru 15 fire cu AMF este prezentat în lucrarea [11]

Fig.32 Reglare activă, modulator PWM

Controlul actuatorilor pe bază de AMF Comportarea AMF poate fi descrisă de patru variabile: temperatura, rezistenţa

electrică, forţa generată şi deplasarea. În figura 33 este prezentată diagrama bloc a unui sistem

de control a unui actuator cu AMF .

25

Fig. 33 Schema bloc de control

Cei mai utilizaţi traductori [5] pentru măsurarea forţelor sunt traductrorii

electrotensometrici rezistivi (TER), iar pentru măsurarea deplasărilor sunt utilizaţi

traductori rezistivi liniari sau rotativi. Implementarea unui sistem de control având ca

variabilă internă rezistenţa prezintă următoarele avantaje: histerezisul este mic,

comportarea este aproximativ liniară, se poate evita supraîncălzirea aliajului. În lucrarea

[5] este propusă o modalitate de control care să combine rezistenţa internă şi deplasarea ca

mărimi de feed-back pentru implementarea unui algoritm de control. În lucrarea [6], este

prezentat un model de control care să compenseze hysterezisul mare al aliajelor cu

memoria formei. Acesta se realizează prin utilizarea unei metode feed-forward care

presupune alimentarea predictivă a elementului activ astfel încât acesta să realizeze

deplasarea dorită. Trei metode diferite de control au fost aplicate în lucrarea [12] pentru a

urmări răspunsul unui actuator pe bază de AMF: controlul PI, controlul PI pe un model

linearizat, şi controlul feedforward. Autorii au subliniat că problemele esenşiale legate de

controlul AMF au fost timpul lent de răcire. Mărimea de feedback a fost preluată dintr-un

experiment care urmăreşte variaţia tensiune-efort în funcţie de încălzire. Metodele prezintă

un major dezavantaj, acela că nu a fost luată în considerare sarcina externă. În lucrarea [3] este

prezentat un sistem de control al poziţiei, aplicabil prin utilizarea mai multor tipuri de controlere,

dar verificat utilizând un algoritm PI, urmărind totodată şi aspecte privind stabilitatea. În lucrarea

[4] sunt prezentate rezultate experimentale care confirmă faptul că actuatorii pe bază de AMF

permit controlul forţei generate rapid şi în mod precis. În lucrarea [13], s-a studiat raspunsul în

frecvenţă şi pentru un semnal de test treaptă pentru un actuator răcit cu aer.

Bibliografie [1] Crisan, R., Maties, V., Tatar, O., Design of positioning system based on infra-red remote controller, Lucrarile Conferintei Stiintifice Inter-Ing, Targu-Mures, 2003, pag. 361-364, ISBN 973-8084-81-4, ISBN 973-8084-82-2

Perturbatii de temperatură

Transformare de fază

Temperatura

Transfer de

căldură

Curent electric

Rezistenţa Forţa

Deplasarea

Perturbaţii ale forţei

26

[2] Crisan, R., Mandru, D., Tatar, O.,Studii privind sistemele de comanda si control ale actuatorilor pe baza de aliaje cu memoria formei, Lucrarile celei de-a Treia Conferinte Nationala Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii romanesti, Sebes, 2003, pag. 291 – 296, in vol. Stiinta si Inginerie, vol IV, Editura AGIR, Bucuresti, 2003, ISBN 973 – 8466 – 04 – 0. [3] Gorbet, R., Wang, L., General Sability criteria for shape memory alloy position control system, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 2313-2319, 1995, Nagoya, Japan [4] Grant, D., Hayward, V., Constrained force control of shape memory alloy actuators, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics&Automation, San Francisco, Aprilie 2000, pag 1314-1320 [5] Ikuta, K., Micro/miniature shape memory alloy actuators, Proc.of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1990, pag. 2156-2161. ISBN 0-8186-9061-X [6] Majima, S., Kodama, K., Hasegawa, T., Modelling the Shape Memory Alloy Actuator and Tracking Control System with the model, IEEE Transactions of Control Systems Technology, Vol. 9, No. 1, 2001 [7] Mândru, D., Crişan, R., Tătar, O., Noveanu, S., Acţionări în mecanică-fină şi mecatronică, Editura Alma Mater, Cluj-Napoca, Romania, 2004, ISBN 973-8397-69-3 [8] Mândru, D., Crişan, R., Stan, S., Crişan,N., O noua aplicaţie a actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei în tehnologia asistivă, OGET2002 [9] Mătieş, V., Mândru, D., Tătar, O., Mătieş, M., Csibi, V., Actuatori în mecatronică, Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2000. [10] Mihalcz, I., New shape memory alloys power circuits, The 6th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria Danube Region RAAD’97, Italy, 1997 [11] Mukherjee, R., Christian, Th., F., Thiel, R., A., An actuation system for the control of multiple shape memory alloy actuators, Sensors and Actuators, Elsevier, 1996 [12] Pons, J., L., Reynaerts, D., Peirs, J., Ceres, R., VanBrussel, H., Comparision of different control approaches to drive SMA, International Conference on Robotics and Automations, pg. 819-824 ICAR’97, Monterey, Canada, 1997, [13] Tanaka, Y., Yamada, A., A rotary actuator using shape memory alloy for a robot – Analysis of the response with load, IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent Robots and systems IROS91, Osaka, japan, 1991, pag. 1163-1168

27

5. Analiza performanţelor tehnice ale senzorilor 5.1 Rolul şi tipul senzorilor din dotarea roboţilor reconfigurabili Senzorilor le este destinat un rol important în funcţionarea roboţilor auto-reconfigurabili, atât

pentru determinarea stărilor curente ale unui modul (senzori interni), cât şi pentru investigarea

mediului înconjurător (senzori externi).

Rolul senzorilor interni constă, în primul rând, în determinarea poziţiilor/deplasărilor din

cuplele cinematice, dar şi a acceleraţiilor, care asigură determinarea orientării modulelor în

raport cu gravitaţia.

Senzorii externi au câteva roluri foarte importante:

Determinarea poziţiei şi orientării feţelor de cuplare ale modulelor în vederea „andocării” (docking);

Selectarea modului adecvat de deplasare;

Declanşarea unui anumit comportament ca răspuns la diferite condiţii ale

terenului;

Identificarea obstacolelor din teren, în vederea stabilirii strategiilor adecvate de evitare şi ocolire a acestora.

În pofida acestor funcţii importante, o analiză detaliată a gradului de dotare cu senzori a

principalelor tipuri de roboţi auto-reconfigurabili [Stoy], a relevat faptul că nivelul de

înzestrare este relativ redus, cum rezultă din tabelul 1.

Tabel 1 Gradul de înzestrare cu senzori a roboţilor reconfigurabili

Robot CPU on-board? Senzori pentru: USC/ISI, CONRO Da Realizarea cuplării Stanford, PolyPod Da Forţă/moment

Poziţia în cuple PARC, PolyBot Da Poziţia în cuple

Realizarea cuplării JHU, Metamorphic Da n/a Darmouth, Crystalline Da Poziţia în cuple MEL, fractum Da Nu există MEL, Micro-unit Da Nu există RIKEN, vertical Nu Nu există PARC, Telecube N/a Realizarea cuplării MEL, 3D-Unit Nu Poziţia în cuple MEL, MTRAN Da Nu există Darmouth, Molecule Da Nu sunt raportaţi CMU, I-Cubes Da Poziţia în cuple

Autorul [STO04] acordă tuturor tipurilor de roboţi enumeraţi în tabelul 1 calificativul minim

din punct de vedere al dotării cu sisteme senzoriale. Întrebarea logică este: de ce un grad atât

28

de redus de sisteme senzoriale, în condiţiile în care au roluri atât de importante? Răspunsurile

ar putea fi cel puţin două:

Modulele roboţilor auto-reconfigurabili au dimensiuni de ordinul milimetrilor sau

centrimetrilor, iar în volumul lor trebuie să se integreze componentele mecanice, sursa de

alimentare cu energie, placa cu procesorul de comandă, actuatorii, senzorii, modulele de

comunicaţie etc. Restricţiile de spaţiu impun renunţarea la un număr mai mare de sisteme

senzoriale.

Pentru diferitele tipuri de senzori trebuie realizată o compatibilitate şi o integrare din

punct de vedere hardware şi software cu procesorul de comandă, lucru de multe ori dificil,

datorită diversităţii mari a senzorilor. De asemenea, înzestrarea unui modul cu anumiţi

senzori, mai complecşi, măreşte mult timpul de calcul şi depăşeşte, în multe cazuri,

capacitatea de răspuns, în timp real, a procesorului.

În contextul unor consideraţii preliminare privind înzestrarea cu senzori a modulelor roboţilor

reconfigurabili, sunt interesante alte câteva constatări [KOT03]:

În prezent există o tendinţă de deplasare a soluţiilor spre un anumit grad de eterogenitate a

modulelor, întrucât este ineficientă dotarea cu senzori mai complecşi a tuturor modulelor.

Astfel modulele pot fi omogene din punct de vedere al acţionărilor, dar eterogene din

punct de vedere al sistemelor senzoriale. De asemenea, este dificil să se dezvolte algoritmi

distribuiţi pentru toate operaţiile planificate pentru un robot autonom şi, în consecinţă,

unul sau mai multe module trebuie să realizeze o planificare centralizată. O soluţie poate

consta în proiectarea şi realizarea unui modul coordonator, care să asigure o planificare

globală a întregului sistem, în baza evaluării informaţiilor de la senzori, în timp ce la

nivelul celorlalte module algoritmi distribuiţi, pentru un nivel de planificare inferior, să

evalueze informaţiile locale (de al senzorii interni ai modulului şi cei externi mai puţin

complecşi).

Dimensiunile modulelor unor astfel de tipuri de roboţi impun restricţii severe înzestrării

mai substanţiale cu senzori. Din punct de vedere al dimensiunilor putem distinge:

a. Module „macro” cu dimensiuni între 3 cm şi 26,5 cm. Acestea corespund

tuturor soluţiilor actuale de roboţi auto-reconfigurabili şi sunt realizate

utilizând tehnologiile clasice de fabricaţie şi asamblare.

b. Module „micro”cu dimensiuni sub un centimetru, care trebuie realizate cu

tehnologii complet diferite, cum ar fi MEMS, prin integrarea elementelor

mecanice, a senzorilor, actuatorilor şi electronicii pe un substrat comun de

siliciu, prin tehnologii de microfabricaţie.

29

În pofida severităţii aprecierilor legate de înzestrarea cu senzori a roboţilor

reconfigurabili [STO04], modulele roboţilor PolyBot prezentate în [ZHA02] sunt înzestrate cu

un număr suficient de mare de senzori de diferite tipuri (fig.34):

Potenţiometre;

Senzori de forţă;

Senzori de detecţie în infraroşu;

Senzori de acceleraţie;

Senzori cu efect Hall.

Fig.34 Modul PolyBot cu senzorii corespunzători

Pentru a asigura premizele unei activităţi adecvate de alegere a sistemelor senzoriale

necesare şi utile roboţilor auto-reconfigurabili, care vor fi proiectaţi şi realizaţi în cadrul

proiectului, se vor trece în revistă principalele tipuri de senzori din dotarea acestor roboţi, cu

evidenţierea caracteristicilor lor tehnice.

5.2 Senzori interni

5.2.1 Senzori pentru măsurarea poziţiilor/deplasărilor din cuple

Pentru măsurarea poziţiilor din cuplele cinematice se folosesc în cvasi-totalitatea cazurilor

potenţiometre miniaturale, motiv pentru care se vor trece în revistă câteva noţiuni importante

legate de acestea.

5.2.1.1 Potenţiometrul

Este un senzor care furnizează un semnal analogic, sub forma unei tensiuni electrice.

Principiul măsurării analogice a deplasării este prezentat în figura 35.

30

a) b) Fig. 35 Principiul măsurării analogice a deplasărilor; a) semnale liniare; b) semnale sinusoidale

Senzorul emite un semnal electric dependent de deplasare, materializat printr-o tensiune

electrică, având o variaţie liniară (fig.35, a) sau sinusoidală (fig.35, b). Dacă se consideră

amplitudinea semnalului pornind din punctul d0 (fig.35, a) şi până în punctul df, se constată că

există o corespondenţă biunivocă între deplasare şi mărimea tensiunii la ieşirea senzorului; în

mod similar se petrec lucrurile şi în cazul sinusoidei din fig.35, b, în condiţiile în care se lucrează

cu arcele de sinusoidă corespunzătoare domeniului -T/4 - T/4, sau T/4 - 3T/4. În fiecare

asemenea domeniu, unei anumite mărimi a tensiunii îi corespunde un singur punct pe axa

deplasărilor şi numai unul (metoda analogic-absolută). Ca urmare senzorul funcţionează ca

senzor de poziţie. În cazul în care mărimea deplasării ce trebuie măsurată o depăşeşte pe cea

corespunzătoare perioadei T, semnalul la ieşirea senzorului va repeta dreapta sau sinusoida din

figura 35 de mai multe ori, până la acoperirea distanţei de măsurat. Astfel tensiunea U1 determină

poziţia punctului d1i numai dacă se cunoaşte numărul, i, de perioade pe care le-a furnizat senzorul

până în acel moment (metoda ciclic absolută). În aceste condiţii senzorul funcţionează ca senzor

de deplasare.

Principiul de funcţionare a potenţiometrului clasic poate fi explicat cu ajutorul figurii 36

El este constituit dintr-o rezistenţă fixă Rt, de-a lungul căreia se deplasează un cursor, solidar cu

elementul a cărui deplasare se măsoară şi izolat electric faţă de acesta; cursorul asigură contactul

cu rezistenţa fixă.

Valoarea rezistenţei Rx, măsurată între cursor şi una dintre extremităţile rezistenţei fixe,

depinde de poziţia cursorului şi, implicit, de deplasarea elementului mobil; presupunând că

rezistenţa Rt are o configuraţie uniformă, Rx poate fi exprimată cu relaţiile:

tt

xx R

LL

R •= (1)

31

Fig. 36 Scheme de principiu ale potenţiometrului: a) liniar; b) rotativ (fără contact)

pentru un potenţiometru liniar (fig.6.13, a), respectiv:

,R. = R tM

xx

αα (2)

pentru un potenţiometru rotativ, pentru care înfăşurarea este dispusă de-a lungul unui arc de cerc,

şi are o variaţie liniară în funcţie de deplasare.

Rezistenţa Rt poate fi materializată fizic cu ajutorul unui fir bobinat sau printr-un strat conductiv.

La potenţiometrele bobinate eroarea minimă corespunde saltului de la o spiră la alta, respectiv

lăţimii cursorului. Potenţiometrele de precizie permit o rezoluţie maximă ΔR/R de ordinul de

mărime 10-3. Straturile conductive sunt realizate pe un suport izolator din plastic, pe care se

aplică o pulbere conducătoare de carbon sau metalică, constituită din granule cu mărimi de

ordinul a 10-2 µm. Şi această structură granulară implică o variaţie discontinuă a rezistenţei

măsurate, însă rezoluţiile acestor potenţiometre (valori de circa 0,3 µm) sunt net superioare celor

ale potenţiometrelor cu rezistenţe bobinate.

Dezavantajul principal al potenţiometrelor cu contact rezidă în uzura mecanică, determinată de

frecarea dintre cursor şi rezistenţă, care limitează durata de funcţionare la maxim 106 - 107

cicluri, insuficientă pentru cerinţele impuse de servosistemele sistemelor mecatronice, motiv care

a împiedicat implementarea senzorilor de acest tip în construcţia unor echipamente de înaltă

precizie.

Dezvoltarea unor senzori potenţiometrici performanţi a contribuit substanţial la creşterea

ponderii lor în diverse domenii, cum ar fi robotica. Astfel, firma Midori Precision

32

(PEWATRON - Elveţia), a dezvoltat seria BLUE-POT [PEWATRON], care cuprinde

potenţiometre fără contact, ce se bazează pe interacţiunea dintre un magnet permanent şi un

strat magnetorezistiv aplicat pe o placă de bază (fig. 3, b). Caracteristica de ieşire este

dependentă de mişcarea magnetului. Este un potenţiometru ideal pentru o funcţionare fără

uzură şi întreţinere, care asigură durate de funcţionare mai mari de 500 milioane de cicluri.

Caracteristica termică a acestor potenţiometre poate fi corectată prin diferite metode de

compensare: montaje cu rezistenţe de compensare; compensare cu termistor. Rezultă o

stabilitate de 0,2% FS (Full Scale)în poziţia centrală (50% din valoarea ieşirii) şi 1..2% în

celelalte poziţii.

În final se vor prezenta câteva consideraţii privind influenţa diferitelor elemente asupra

montajului de măsurare. Potenţiometrul este alimentat de la o sursă de c.c., Es, având o rezistenţă

internă Rs. Tensiunea Vm, culeasă la ieşirea rezistenţei variabile Rx şi măsurată cu un dispozitiv

având rezistenţa internă Ri, poate fi exprimată cu relaţia:

.)

R+RR-.(1

RR+1

1.R+R

R.E = V

ts

x

i

xts

xsm (3)

Cazul ideal presupune o expresie de forma:

iv),(pot.rotat .E = r)(pot.linia LL.E =

RR.E = V

M

xs

t

xs

t

xsm

αα (4)

impunând două condiţii limită: Rs = 0 şi Ri = ∞.

Schemele de principiu sunt prezentate în figurile 37, a şi b.

Fig. 37 Scheme de măsurare: a) cu amplificator repetor; cu amplificator inversor

În cazul în care un cursorul unui potenţiometru rotativ execută unghiuri mai mari de 360°, la

ieşirea acestuia sunt generate mai multe semnale ciclice (curbe aproximate cu un segment de

33

dreaptă sau bucle de sinusoidă – fig.35, a şi b), astfel încât se impun soluţii pentru

identificarea univocă a semnalului urmărit. În general, cursele elementelor mobile ale

roboţilor auto-reconfigurabili sunt mai mici decât ±180°, dar potenţiometrul poate fi montat

pe axul actuatorului, iar elementul mobil poate fi acţionat prin intermediul unui reductor,

pentru amplificarea momentului motor. În aceste situaţii se folosesc potenţiometre multi-turn

(fig.38, dreapta), care generează un singur semnal pentru unghiuri mai mari de 360°.

Fig.38 Potenţiometru simplu (stânga) şi multi-turn (dreapta), cu evidenţierea dimensiunilor 5.2.1.2 Senzori incrementali În anumite situaţii, pe suprafeţe netede, roboţii auto-reconfigurabili aleg configuraţii şi strategii

care să le permită deplasarea pe roţi. Se impune, în anumite cazuri măsurarea deplasărilor roţilor

motoare, care facilitează calculul deplasării robotului/modulului de-a lungul diferitelor direcţii.

Aceste deplasări sunt măsurate, de regulă, cu senzori incrementali, optoelectronici sau inductivi,

care pot fi integraţi în roţi sau pot fi separaţi, miniaturali, cuplaţi cu axul roţii. În figura 39 este

prezentat un astfel de senzor cu dimensiunile lui.

a)

34

b) Fig. 39 Senzor incremental miniatural: a) vederi de ansamblu; b) dimensiuni

Ieşirile unui astfel de senzor sunt reprezentate de două semnale sinusoidale în cuadratură şi un

impuls de referinţă (fig.40, a), generat pentru o rotaţie complecta, care prin electronica integrată

în senzor sunt convertite în semnalele dreptunghiulare UA şi UB, defazate cu un sfert de perioadă

şi impulsul de referinţă US (fig.40,b).

Fig.40 Semnale generate de un senzor incremental

35

Semnalele dreptunghiulare UA şi UB trebuie să parcurgă o succesiune de circuite de prelucrare

pentru a fi accesibile sistemului de comandă a robotului/modulului:

Un circuit pentru filtrarea semnalelor

Un circuit pentru detectarea sensului de deplasare orar/antiorar şi generarea

corespunzătoare a impulsurilor pentru numărarea directă/inversă;

• cascadă de numărătoarea pentru contorizarea impulsurilor;

Un registru de încărcare şi un eventual multiplexor, pentru transmiterea impulsurilor spre

magistrala procesorului de comandă.

Testele au fost efectuate cu ajutorul a două circuite integrate, care cumulează aceste funcţiuni.

Primul, HCTL-2016, aparţine familiei de circuite HCTL-20XX ale firmei Agilent

Technologies, iar schema bloc este prezentată în figura 41.

Fig.41 Schema bloc a familiei de circuite HCTL-20XX [Agilent]

Cele două semnale în cuadratură, CH A şi CH B, recepţionate de la senzorul incremental, sunt

adaptate cu ajutorul unor circuite trigger Schmitt şi filtrate prin intermediul unui filtru digital,

pentru a elimina semnalele de zgomot de joasă tensiune şi impulsurile de scurtă durată,

caracteristice acţionărilor cu motoare electrice, după care intră într-un bloc de prelucrare (similar

36

ca funcţiuni cu circuitul din figura 41), care generează un semnal de numărare (CNT), pe cele

patru fronturi ale impulsurilor CH A şi CH B, precum şi un semnal de dirijare a numărării, fie

pentru numărarea directă (UP/⎯DN = 1), pentru unul din sensurile de deplasare a senzorului, fie

pentru numărarea inversă (UP/⎯DN = 0), dacă senzorul se deplasează în sensul contrar.

Numărarea este realizată de un numărător reversibil de 12 biţi (HCTL-2000) sau de 16 biţi

(HCTL-2016/2020), pe frontul crescător al impulsurilor aplicate pe intrarea CNT. Conţinutul

numărătorului, accesibil la ieşirile O0 ÷ O11,15 este transferat într-un registru de încărcare (12/16

BIT LATCH), pe fiecare front pozitiv al impulsului de tact (CK), cu excepţia situaţiilor în care

transferul este blocat de logica de inhibare (INHIBIT LOGIC), pe parcursul citirii celor 2 bytes

de către procesor. Citirea se realizează cu ajutorul celor două semnale SEL şi ⎯OE, gestionate de

la procesor, conform secvenţei din tabelul 2:

Tabel 2 Secvenţa de semnale pentru citirea celor 2 bytes

Pas

SEL

⎯OE

CLK

Semnal de inhibare

Acţiune

1 L L ↓ 1 Activează inhibarea; citeşte byte-ul superior

2 H L ↓ 1 Citeşte byte-ul inferior 3 X H ↓ 0 Dezactivează inhibarea

Interfaţarea cu magistrala de date a procesorului este realizată de un multiplexor 16:8 şi un buffer

three-state de 8 biţi. În figura 9 este detaliat modul în care se leagă la magistrala unui

microcontroller un circuit HCTL-20XX, astfel:

Datele de la circuit se citesc direct pe magistrala de date D0 ÷ D7 a microcontrollerului,

întrucât ieşirile similare, D0 ÷ D7, ale circuitului sunt three-state, deci prezintă, pe lângă

cele două stări logice, 0 şi 1, şi starea de înaltă impedanţă (HiZ), care permite decuplarea

circuitului de la magistrala de date, atunci când acesta nu este accesat de procesor .

Citirea celor 2 bytes se face cu ajutorul a 2 adrese de porturi. Bitul inferior al adreselor

(A8) este legat pe intrarea SEL, pentru selectarea celor 2 bytes, superior şi inferior, iar

liniile de adrese, A9 ÷ A15 activează circuitul (⎯OE = 0), printr-o logică de decodificare,

implementată cu ajutorul a două porţi ŞI-NU, în care intervine şi semnalul ⎯RD al

procesorului. Procesarea informaţiilor de la mai mulţi senzori se rezolvă simplu, prin

cuplarea tuturor acestora la magistrala de date şi prin apelarea lor, pe baza câte unei

adrese, printr-o logică de decodificare a adreselor, realizată cu ajutorul unui

decodificator adecvat (de exemplu, 74138).

37

Procesorul dirijează, prin intermediul bitului 0 al portului 1 (P1.0), legat la intrarea ⎯RST a

circuitului, iniţializarea conţinutului numărătorului şi registrului de încărcare (vezi figura

42)

Numărul maxim de impulsuri, care poate fi contorizat de un circuit, este de 212 = 4096 (HCTL-

2000), sau 216 = 65.536 (HCTL-2016, HCTL-2020). Circuitul HCTL-2020 are o logică de

cascadare (partea din dreapta-sus în figura 8), care permite extinderea domeniului de numărare,

prin legarea unui numărător la ieşirile CNTCAS şi U/⎯D, care se vor activa când numărătorul

circuitului HCTL-2020 revine din starea finală în cea iniţială, la atingerea limitei de numărare,

într-un mod asemănător celui prezentat în capitolul 4 pentru numărătoarele 74193/74192 şi

4029. Legarea adecvată a unui numărător de 4 biţi pe ieşirile CNTCAS şi U/⎯D ale lui HCTL-

2020, extinde domeniul de numărare la 220 impulsuri.

Fig.42 Conectarea unui circuit HCTL 20XX la un microcontroller 8051 Al doilea tip de circuit integrat, care a fost folosit şi integrat în schemele de comandă este

LS7366 al firmei LSI Computer Systems, care are avantajul unei legături seriale I2C, cu

procesorul, fiind montat într-o capsulă cu numai 14 pini (fig.43) şi realizând o economie

substanţială de linii I/E necesare dinspre procesor.

38

Fig.43 Configuraţia pinilor circuitului LS7366

Schema bloc a circuitului este prezentată în figura 44, având blocuri cu funcţiuni similare cu

HCTL2016.

Fig.44 Schema bloc a circuitului LS7366 În figura 45 este prezentat modul de conectare la un microcontroller PIC18CXXX.

39

Fig.45 Legătura dintre LS7366 şi microcontrollerul PIC18

În finalul secţiunii destinate senzorilor incrementali se vor detalia câţiva parametri importanţi ai

acestora.

Turaţia maximă admisă este condiţionată atât de partea mecanică, cât şi de partea electronică a

unui senzor. Este, din punct de vedere mecanic, pe de o parte, o caracteristică a senzorului, fiind

indicată în tabelul de parametri ai acestuia, dar şi o caracteristică a cuplajului utilizat.

Din punct de vedere al părţii electrice şi electronice, turaţia maximă este limitată atât de

frecvenţa maximă de comutaţie a fotodetectorilor, fmax [KHz], indicată în catalogul senzorului,

dar şi de frecvenţa maximă, fFmax [KHz], a circuitelor electronice de prelucrare (numărătoare,

bistabili, porţi logice etc.):

],[rot/ 60N[KHz] f

= nF

F min103maxmax •• (5)

în care: nF

max este turaţia maximă admisibilă din punct de vedere al fotodetectorilor;

fFmax - frecvenţa maximă admisibilă a fotodetectorilor;

N - numărul de diviziuni ale discului divizor,

respectiv:

],[rot/ 60i.n.N

[KHz] f = n

PP min103maxmax •• (6)

unde: nP

max este turaţia maximă admisibilă din punct de vedere al părţii

electronice de prelucrare;

40

fPmax - frecvenţa maximă admisibilă a părţii electronice de

prelucrare;

i - factor de interpolare;

n - factor de valorificare a fronturilor.

Se alege turaţia cea mai redusă, care satisface toate restricţiile mecanice şi electrice.

Rezoluţia este determinată în primul rând de numărul, N, de diviziuni ale elementului

(rigla/disc) divizor. Ea poate fi mărită de i ori prin interpolarea semnalelor furnizate de

traductoare şi de n ori prin valorificarea mai multor fronturi ale semnalelor. De exemplu, pentru

rigla incrementală LIP 101R [Heidenhain], perioada semnalelor obţinute de la fotodetectori este

de 4 μm. Valorificând toate cele 4 fronturi ale semnalelor (n=4), se obţine o rezoluţie de 1 μm.

Pentru un factor de interpolare i = 10 se obţine o rezoluţie de 0,1 μm, iar pentru interpolări de 50

şi 100 de ori, rezoluţiile vor fi de 0,02 μm (20 nm) şi, respectiv, de 0,01 μm (10 nm).

În care acesta măsoară direct mişcarea elementului mobil al unei cuple, are expresia:

[grade]. Nni

360 = R••

o

(7)

În cazurile în care mişcarea, măsurată la nivelul axului motorului de acţionare, se transmite prin

diferite tipuri de mecanisme, trebuie ţinut cont de specificul mecanismului respectiv. De

exemplu, un mecanism şurub-piuliţă cu pasul p [mm], care trebuie sa asigure o rezoluţie mai

mare decât R [mm], va impune alegerea unui senzor rotativ, având numărul de diviziuni, N, dat

de relaţia:

,Rp

ni = N ••

11 (8)

Precizia este determinată de:

erori ale diviziunilor discului (riglei) incremental;

erori de interpolare;

excentricitatea discului divizor faţă de axa de rotaţie etc.

5.2.2 Senzori de acceleraţie Pot avea roluri importante în funcţionarea roboţilor mobili pentru:

Măsurarea înclinării/pantei diferitelor module;

Măsurarea unghiului de rotaţie pentru a anumită axă:

Identificarea stării de mişcare sau repaus;

Sesizarea şocurilor/ciocnirilor;

41

Principiu de funcţionare; caracteristici

Senzorii de acceleraţie permit măsurarea acceleraţiilor dinamice (datorate vibraţiilor) sau

statice (determinate de gravitaţie) ale unui solid după una sau mai multe direcţii. Sunt multe

principii de funcţionare ale acestora, dar va fi detaliat principiul senzorului MEMSIC 2125

[Parallax], realizat în tehnologia MEMS, care a fost utilizat pentru teste împreună cu modulele

BASIC Stamp, în vederea aprecierii posibilităţilor de integrare a lui în configuraţia roboţilor

mobili proiectaţi. Acesta conţine un mic încălzitor inclus în interiorul unui recipient, care

încălzeşte un balon de aer din interiorul recipientului. Când asupra senzorului acţionează forţe

externe, balonul de aer se deplasează, iar deplasarea este sesizată cu ajutorul a patru senzori

de temperatură foarte sensibili, plasaţi pe patru laturi ale recipientului, prin modificarea

temperaturii, în funcţie de distanţa faţă de aerul încălzit (fig.45). Electronica integrată în

senzor converteşte poziţia balonului în impulsuri transmise la ieşirile pentru axele X şi Y.

Configuraţia conectorilor senzorului Memsic 2125 este compatibilă cu cea a multor altor

senzori de acceleraţie accesibili pe piaţă, asigurând o integrare şi interschimbabilitate facilă în

cadrul diferitelor aplicaţii. Se constată că senzorul ocupă numai două linii I/E ale procesorului

numeric (X-out şi Y-out), dacă este utilizat pentru două axe şi o singură linie, în cazul unei

singure axe (pentru unghiuri de înclinare mai mici de 60°). Compatibilitatea semnalelor va fi

exemplificată cu ajutorul unui senzor de acceleraţie, ADXL202E [Analog], care funcţionează

pe un principiu complet diferit.

Principalele caracteristici ale acestui senzor sunt:

Domeniul de măsurare cuprins între 0 şi ±g pentru fiecare axă;

Rezoluţia mai mică de 1 mg;

Semnale simple, sub formă de impulsuri pentru axele X şi Y (fig.46 );

Fig.45. Principiul de funcţionare a senzorului MEMSIC 2125

Ieşire analogică pentru temperatură (conectorul Tout);

42

Consum de curent mai mic de 4 mA pentru tensiunea de alimentare de 5 V.

Fig.46 Conectorii externi ai senzorului Memsic 2125 Impulsul de ieşire al senzorului este fixat la o lăţime de 50% pentru 0 g, iar variaţiile lăţimii

sunt proporţionale cu acceleraţia şi pot fi determinate direct de BASIC Stamp, cu ajutorul

formulei prezentate în figura 47. Perioada T2 este calibrată la 10 milisecunde pentru o

temperatură ambiantă de 25°C.

Fig.47 Configuraţia semnalelor de la ieşirile senzorului Un alt senzor de acceleraţie care a fost analizat este ADXL202E (fig.48), care este realizat, de

asemenea în tehnologie MEMS şi este disponibil sub forma unui circuit integrat cu 8 pini

(fig.48, b). Senzorul conţine o structură de poli-silicon, suspendată prin arcuri din acelaşi

material pe plăcuţa de siliciu a circuitului integrat, care opun o rezistenţă la forţele de

acceleraţie. Deplasările structurii sunt măsurate cu ajutorul unui condensator diferenţial, care

are plăci fixe independente şi plăci centrale ataşate masei în mişcare, iar semnalele de ieşire

sunt semnale dreptunghiulare, similare cu cele prezentate în figura 16 pentru Memsic 2125,

iar acceleraţia se calculează cu aceeaşi formulă.

43

a) b)

Fig.48 Senzorul de acceleraţie ADXL202E: a) schemă bloc; b) configuraţie pini Principalele performanţe tehnice ale acestui senzor sunt:

Dimensiuni: 5 mm x 5 mm x 2mm;

Plaja de măsurare: ± 2g;

Rezoluţie: 2 mg pentru frecvenţa de 60 Hz;

Consum de curent: < 0,6 mA;

Tensiune de alimentare: 3 V ÷ 5,25 V;

Şocuri maxime suportate: 1000 g.

În raportul privind programarea informaţiilor de la senzori se vor prezenta câteva consideraţii

legate de modul în care senzorii de acceleraţie permit determinarea unghiurilor de înclinare

ale unui modul, faţă de cele 3 axe ale unui sistem tri-ortogonal drept, ataşat modului.

5.3 Senzori externi

Senzorii externi pot avea, după caz, un rol foarte important în funcţionarea roboţilor auto-

reconfigurabili şi, în vederea analizei caracteristicilor lor tehnice şi a posibilităţilor de

implementare hardware şi software în configuraţia modulelor proiectate, au fost studiate şi

testate următoarele tipuri de senzori:

Senzori ultrasonici;

Senzori de atingere;

Senzori de forţă;

Senzori de culoare;

44

Senzori de lumină;

Camere video.

5.3.1 Senzori ultrasonici

Senzorii ultrasonici sunt unii dintre cei mai utili şi eficace senzori din dotarea roboţilor

mobili. Ei permit măsurarea suficient de precisă, fără contact, a distanţelor faţă de alte obiecte

din mediu şi asigură astfel premizele pentru unele dintre cele mai importante activităţi ale

roboţilor auto-reconfigurabili:

Identificarea poziţiei şi orientării altor module, în vederea unei eventuale ataşări şi

cuplări;

Identificarea obstacolelor din mediu înconjurător, cu poziţia şi configuraţia lor, în

vederea stabilirii unei strategii optime pentru ocolirea lor, dar şi pentru o eventuală

reconfigurare, în vederea abordării lor directe;

Măsurarea distanţei faţă de unele repere, fixe sau mobile din mediu, pentru ancorarea

propriei poziţii în spaţiul de lucru.

Ca model pentru analiza şi testarea caracteristicilor tehnice ale acestui tip de senzori a fost

ales Parallax PING))), un senzor având configuraţia şi dimensiunile prezentate în figura 49.

Fig.49 Configuraţia şi dimensiunile senzorului ultrasonic de distanţă Parallax PING))) Acest senzor are următoarele caracteristici:

Tensiune de alimentare – 5V cc.;

Curent absorbit: 30 mA tipic, 35 mA maxim;

Domeniu de măsurare – între 2 cm şi 3 m;

Impulsul de declanşare a măsurării: impuls pozitiv TTL, 2μs minim, 5μs tipic;

Semnal receptat ca ecou: impuls pozitiv TTL, între 115 μs şi 18,5 ms;

Frecvenţa de baleiere: 40 KHz pentru 200 μs;

45

Timp de întârziere până la următoarea măsurare: 200 μs:

Dimensiuni – 22 mm x 46 mm x 16 mm.

Un avantaj major al acestui senzor constă în faptul că nu necesită decât o singură linie I/E a

unui procesor numeric (fig.50 – linia I/O pin).

Fig. 50 Configuraţia pinilor senzorului ultrasonic Senzorul detectează un obiect şi permite măsurarea distanţei până la el prin emiterea unui

scurt impuls cu frecvenţa de 40 KHz (domeniul ultrasonic), care se deplasează cu viteza

sunetului în aer, de 340 m/s, şi aşteptarea şi sesizarea ecoului, determinat de reflectarea

undelor de către obstacol (fig.51).

Fig.51 Principiul de lucru al unui senzor ultrasonic În figura 52 este prezentată succesiunea de semnale corespunzătoare unei măsurări:

Procesorul care comandă senzorul emite un impuls dreptunghiular (figurat cu linie

groasă), de durată tout, de 5 μs (minim 2 μs);

Pe parcursul timpului tholdoff de 750 μs, senzorul emite semnalul în ultrasunete, cu

frecvenţa de 40 MHz, de durată tburst = 200 μs, poziţionând linia de comunicaţie cu

procesorul pe nivelul 1 logic.

46

Când recepţionează ecoul, senzorul comută linia pe nivelul 0 logic, astfel încât timpul

tin, cuprins între o limită minimă, tin-min = 115 μs şi o limită maximă, tin-max = 18,5 ms,

va fi proporţional cu distanţa până la obstacol.

Fig. 52 Secvenţa de semnale corespunzătoare unei măsurări Undele ultrasonice se propagă sub forma unui con, astfel încât energia este maximă de-a

lungulaxei conului (axa acustică) şi descreşte odată cu apropierea de generatoare. Pentru a fi

perceput, un obiect trebuie să se găsească în interiorul acestui con.

Fig.53 Obiectul investigat nu este sesizat

47

Sunt importante câteva consideraţii [ELF87]:

Sensibilitatea detectării se modifică în funcţie de poziţia obiectului reflectant faţă de

axa principală (acustică).

Razele ultrasonice pot suferi reflecţii multiple sau reflecţii parazite, furnizând

informaţii eronate despre distanţă.

Datorită unghiului relativ mare al fasciculului ultrasonic, o singură măsurare asigură o

informaţie relativă cu privire la poziţia obiectului investigat.

Fig.54 Obiectul investigat este sesizat la limita conului razelor ultrasonice

Investigarea spaţiului din jurul modulului robotului impune, fie rotirea senzorului cu un unghi

măsurat exact, fie o reţea de senzori ultrasonici, dispuţi circular la un anumit unghi (uzual

15°).

48

Alte tipuri de senzori care au o funcţie similară şi pot fi luaţi în considerare pentru roboţii

autoreconfigurabili sunt:

Senzori în infraroşu (fig.1) şi [ZHA02].

Senzori de lumină cu diodă laser.

Senzori magnetici în impulsuri de curent continuu („Flock of Birds” – Ascension

Technology Corporation – www.ascension-tech.com)

5.3.2 Senzori de lumină

Consideraţiile legate de studiul unui senzor de lumină vor fi legate de urmărirea traiectoriei de

către un robot reconfigurabil LEGO, cu ajutorul unui astfel de senzor.

Configuraţia robotului mobil

a. Structura mecanică

Structura robotului mobil, construită şi utilizată în cadrul testelor, este prezentată în figura 55.

Include două roţi active în partea din spate, acţionată fiecare de câte un motor de curent

continuu montat într-o piesă LEGO, şi o roată pasivă în partea din faţă. În vârful construcţiei

este amplasată unitatea de comandă, RCX, conectată la cele două motoare (A şi C în

programele prezentate) şi la senzorul de lumină din frunte (senzor 1 în programe). Acest

senzor este constituit dintr-un LED (diodă luminiscentă), care generează un fascicul de lumină

roşie, şi un fotodetector care recepţioneză lumina reflectată de podea şi generează la ieşire o

tensiune electrică, proporţională cu intensitatea luminii reflectate.

Fig.55 Robot mobil utilizat pentru teste

49

Roţile active sunt acţionate prin intermediul a două trepte de angrenaje cu roţi dinţate. Prima

include un pinion cu 8 dinţi, montat pe axul motorului (pinionul de culoare deschisă din

fig.23) şi o roată dinţată cu 24 de dinţi, iar a doua, este realizată prin angrenarea roţii

intermediare de 24 de dinţi cu o roată de 40 de dinţi, care antrenează axul roţii active.

Raportul de transmitere poate fi calculat cu formula:

i = (24/8) * (40/24) = 5,

şi asigură o reducere de 5 la 1 a vitezei unghiulare a motorului şi o amplificare de 1 la 5 a

momentului dezvoltat de motor. Direcţia de deplasare a robotului este controlată, fie prin

mişcarea roţilor active în sensuri opuse, fie prin deplasarea acestora cu viteze unghiulare

diferite. În cadrul capitolului 3 vor fi prezentate câteva dintre principalele noţiuni legate de

cinematica şi dinamica sistemelor mecatronice, cu prezentarea principalelor tipuri de

mecanisme de acţionare şi a rolului şi efectelor acestora.

b. Comunicaţia dintre RCX şi PC

Fig.56 Comunicaţia dintre RCX şi PC RCX este o piesă LEGO, care poate fi programată pentru comanda motoarelor şi achiziţia şi

prelucrarea informaţiilor de la senzori. Este echipată cu un procesor de 100 Hz şi are trei ieşiri

de câte 9 Volţi (A÷C) şi trei intrări A/D (analog/numeric) de 10 biţi (1÷3). Ieşirile sunt

utilizate pentru comanda motoarelor sau a becurilor, în timp ce intrările pot fi conectate la o

varietete foarte mare de senzori, cum ar fi, senzori de lumină, de temperatură, de contact, de

depasare etc. Utilizatorul poate memora maxim 5 programe de lucru în RCX, având opţiunea

protejării primelor două la rescriere. Datele sunt transmise de la PC la RCX printr-o unitate în

infraroşu, conectată la calculator printr-un cablu USB. Interfaţa om-maşină a RCX (HMI –

Human-Machine Interface) include patru butoane şi un afişaj (detaliul din dreapta în fig.24).

50

Programele dezvoltate în ROBOLAB pe PC sunt compilate şi transmise în infraroşu către

RCX, unde sunt memorate şi executate în mod independent. Când se utilizează Vision Center

pentru achiziţia de imagini cu ajutorul unei camere USB, conexiunea dintre PC şi RCX este

permanentă, pentru a transmite către RCX detaliile selectate şi caracteristicile imaginii

prelucrate.

Structura LEGO prezentată în fig.55 conţine numai două motoare şi un senzor de lumină.

Motoarele sunt comandate prin intermediul unor semnale PWM în cinci trepte de viteză

(modificatorii de viteză 1÷5 in ROBOLAB), în timp ce ieşirea analogică a senzorului este

convertită într-un număr proporţional cu intensitatea luminii reflectate.

Urmărirea traiectoriei cu un senzor de lumină O soluţie, folosită mai des, presupune utilizarea a doi senzori de lumină, plasaţi simetric faţă

de conturul curbei urmărite, care are o culoare care contrastează faţă de culoarea podelei.

Această soluţie este similară cu cea utilizată de AGV-uri (Automated Guided Vehicles),

pentru a urmări un cablu electric montat sub podea, în baza tensiunilor electrice induse în

două bobine plasate de fiecare parte a cablului. Orice variaţie în intensitatea luminii/tensiunea

indusă determină o schimbare adecvată a direcţiei, pentru a repoziţiona vehiculul de-a lungul

traiectoriei.

În măsura în care se foloseşte un singur senzor de lumină (fig.55), o soluţie utilizată a

presupus configurarea traiectoriei urmărite din fâşii de hârtie cu trei culori diferite: albastru în

mijloc, negru şi galben (culoarea podelei) pe cele două părţi. Aceste culori au fost selectate în

funcţie de reacţia senzorului la fâşii de hârtie de culori diferite, testată cu ajutorul secvenţei

extrem de simple de instrucţiuni, prezentată în figura 57. Prima pictogramă (un semafor

verde) reprezintă începutul programului. A doua pictogramă presupune încărcarea în

containărul galben (un registru al procesorului) a valorii senzorului de lumină, urmată de

generarea unui sunet (pictograma 3) şi afişarea valorii containărului pe display-ul RCX. După

2 secunde (penultima pictogramă), un semafor roşu determină sfârşitul execuţiei programului.

Fig.57 Testarea reacţiei senzorului de lumină la hârtii de diferite culori

51

În scopul elaborării unui program mai complicat, sunt utile testările unor secvenţe mai simple

de program, care să verifice reacţiile robotului la modificări ale intensităţii luminii, sesizate de

senzor. Secvenţa de comenzi din figura 58 porneşte ambele motoare cu viteza prezumată,

foloseşte comanda “wait for darker” (intensitate mai mică a luminii) pentru a reduce viteza la

nivelul 1 şi comanda “wait for brighter” (intensitate mai mare a luminii) pentru a accelera

motoarele la nivelul 5 al vitezei, timp de 6 secunde, după care opreşte motoarele şi încheie

programul.

Fig.58 Modificarea vitezei motoarelor în funcţie de valorile senzorului de lumină Secvenţa de instrucţiuni din figura 59 este foarte asemănătoare cu cea din figura 26, dar

utilizează comanda “wait for brighter” pentru a schimba direcţia robotului (rotirea în jurul

jurul axei), prin inversarea sensului de rotaţie a motorului A.

Fig.59 Schimbarea direcţiei în conformitate cu valorile senzorului de lumină Aceste secvenţe simple de program au fost utilizate pentru a dezvolta o secvenţă mai

complexă de comenzi, prezentată în figura 60, care serveşte la urmărirea unei traiectorii

imprimate pe podea, realizată din fâşii de hârtie de diferite culori (albastră, galbenă, neagră).

Programul foloseşte două structuri de programare de un nivel mai înalt: un ciclu “while”, care

este repetat de un anumit număr de ori (200 de cicluri) şi o ramificaţie în program care

declanşează două ramuri simultane. Robotul porneşte ambele motoare cu nivelul 2 de viteză şi

se deplasează, dintr-o poziţie oarecare, până când întâlneşte linia albastră (pragul de lumină

48). Continuă să se deplaseze în aceeaşi direcţie până când întâlneşte fie linia galbenă – vezi

ramura de sus (pragul de lumină 50) – şi se răsuceşte spre dreapta spre linia albastră, fie linia

neagră – vezi ramura de jos – când se întoarce spre stânga pentru a întâlni linia albastră.

52

Fig.60 Secvenţă de instrucţiuni pentru urmărirea unei traiectorii Robotul execută mişcări în zig-zag, dar se menţine întotdeauna pe traiectorie, în sensul în care

a pornit iniţial. Secvenţa de program poate fi modificată cu uşurinţă pentru, pentru a obţine o

mişcare mai lină, sau pentru a schimba direcţia de deplasare a robotului prin apăsarea unui

senzor de contact (touch sensor).

5.3.3 Camere video Experienţele cu o cameră video s-au efectuat tot pe robotul mobil prezentat în figura 55.

Camera utilizată pentru experimente este o Creative WebCam (fig.61), conectată la un PC

printr-un port USB. Are o frecvenţă maximă a cadrelor de 30Hz şi o rezoluţie maximă de 320

(pe orizontală) x 240 (pe verticală) pixeli, în perfectă concordanţă cu rezoluţia maximă

asigurată de comenzile ROBOLAB de achiziţie a imaginilor. Frecvenţa maximă a imaginilor

achiziţionate cu ROBOLAB este variabilă, dar este sub 30Hz. Se situează, în general, în jurul

a 15Hz şi depinde de mărimea imaginii şi de complexitatea operaţiilor de prelucrare a

acesteia.

Fig.61 Camera WEB utilizată pentru preluarea imaginilor

53

Trebuie spus că utilizarea unei camere video în cazul roboţilor reconfigurabili impunr câteva

consideraţii foarte importante:

a. Aceasta va fi amplasată în cele mai multe cazuri în afara modulelor robotului, sub

comanda unui procesor coordonator, sau, cel mult la nivelul unui modul coordonator al

ansamblului, dotat cu o capacitate de calcul mult mai mare.

b. Pentru prelucrarea si evaluarea informaţiilor de la camera video sunt necesare rutine

relativ complexe de prelucrare a imaginii şi de extragere a caracteristicilor acesteia.

ROBOLAB oferă o paletă amplă de pictograme (comenzi) pentru procesarea imaginilor:

Iniţializarea unei imagini mici (Init Small Image);

Iniţializarea unei imagini mari (Init Large Image);

Iniţializarea unei imagini prin Internet (Init Internet Image);

Achiziţia unei imagini pe un anumit fond de culoare: Grab RGB; Grab Red; Grab

Green; Grab Blue; Grab Grey;

Extragerea unui plan (Extract Plane);

Conversii: Convert to Picture; Convert to Image; Convert to Array;

Reducerea imaginii (Shrink Image);

Obţinerea unor detalii dintr-o imagine (Get Image Subset);

Selectarea unei zone de interes (Select ROI - Region of Interest) etc.

Experimente utile, pentru înţelegerea unor principii importante de prelucrare a imaginilor, pot

fi dirijate spre folosirea de:

Plane de culoare: sunt utile pentru identificarea obiectelor colorate. Un obiect colorat este

mai luminos în planul său de culoare. Un bloc LEGO albastru va fi mai luminos într-un

plan albastru decât în unul roşu sau verde.

Praguri: aplicând un prag unei imagini, utilizatorul poate izola părţi ale imaginii, în

funcţie de intensitatea unor pixeli. Acest lucru este util pentru separarea obiectelor de

fundalul lor.

BIBLIOGRAFIE

[BOR88] Borenstein, J., Koren, Y.: Obstacle Avoidance with Ultrasonic Sensors, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol.4, Nr.2, April 1988.

54

[BOR91] Borenstein, J., Koren, Y.: Histogramic In-Motion Mapping for Mobile Robot Obstacle Avoidance, IEEE Transactions of Robotics and Automation, vol.7, No.4, August 1991.

[BRO05] Broxton, M.J.: Localization and Sensing Applications in the Pushpin Computing Network, MSc Paper, M.I.T., 2005.

[DUM96] Dumitriu, A., Bucşan, C., Demian, T.: Sisteme senzoriale pentru roboţi, Editura MEDRO, Bucureşti, 1996.

[DUM06a] Dumitriu, A.: Mecatronică, volumul I, Editura Universităţii „Transilvania” din Braşov, 2006.

[DUM06b] Dumitriu, A. ş.a.:Trajectory Tracking by LEGO Robots, Using a WEB Camera and Computer Vision, Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, Tomul LII (LVI), Fascicula 7A, 2006, pag.253-258.

[ELF87] Elfes, A.: Sonar-Based Real-World Mapping and Navigation, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol.RA-3, Nr.3, June 1987.

[FIT04] Fitch, R.Ch.: Heterogeneuos Self-Reconfiguring Robotics, PhD Thesis, Darmouth College, Hanover, New Hampshire, September, 2004.

[KOT03] Kotay, K.: Self-Reconfiguring Robots: Design, Algorithms and Applications, PhD Thesis, Darmouth College, Hanover, New Hampshire, December, 2003.

[SAL04] Salemi, B. : Experimental Evaluation of a Distributed Control System for Chain-Type Self-Reconfigurable Robots, PhD Thesis, Univ.of Southern California, December, 2004.

[STO04] Stoy, K.: Emergent Control of Self-Reconfiguring Robotics, PhD Thesis, Univ.of Southern Denmark, January, 2004.

[ZHA02] Zhang, Y. et all: Sensor Computations in Modular Self-Reconfiguring Robots, accesibil pe Internet fisierul “Iser02.pdf”.

[Analog] Analog Devices, Low-Cost ± 2g Dual-Axis Accelerometer with Duty-Cycle Output, accesibil: http://www.analog.com/productSelection/pdf/ADXL.202E.pdf.

[Parallax] Parallax Inc.: Diferite tipuri de senzori, Accesibili la www.parallax.com.

55

6. Soluţii pentru comanda unui modul şi comunicaţii între module

6.1. Introducere Realizarea unui sistem robotic miniatural cu abilităţi de reconfigurare şi

automultiplicare presupune existenţa unui sistem de comandă şi control performant şi flexibil.

O structură ierarhizată formată dintr-un PC şi o serie de microcontrolere ar putea reprezenta o

soluţie adecvată (vezi fig. 62.)

PC

MICRO CONTROLER

MICRO CONTROLER

SENSOR ACTUATOR SENSOR ACTUATOR

Figura 62. Structură ierarhizată de comandă şi control a minirobotului

Aşa cum putem observa din fig.62 calculatorul PC este cel care comandă întreg

sistemul. Microcontrolerele sunt elementele efective de comandă şi control care îşi

îndeplinesc acest rol prin intermediul senzorilor şi a elementelor de execuţie.

Sistemul propus presupune asigurarea unei comunicaţii eficiente între componentele sale.

Structura prezentată în fig.62 este una de principiu care urmează a fi particularizată în funcţie

de nevoile de comandă şi control ale minirobotului ce urmează a fi proiectat cum ar fi:

performanţele PC-ului, tipul şi numărul microcontrolerelor, a senzorilor şi a elementelor de

execuţie precum şi a tipului de comunicaţie ales.

Vom analiza în continuare câteva aspecte legate de problematica comunicaţiei dintre

componente.

Între PC şi microcontrolere se impune a avea posibilitatea unei comunicaţii serie sincrone sau

asincrone la o viteză nu prea mare, având în vedere volumul de date ce se preconizează a fi

transferat.

Între microcontrolere şi senzori respectiv elementele de execuţie pot fi asigurate transferuri de

date programate ca sau fără confirmare, iar în cazul unor senzori inteligenţi poate fi

implementat un sistem de transfer de date prin întreruperi.

56

La alegerea componentelor sistemului mai trebuie avut în vedere şi faptul dacă

comunicaţie dintre componentele sistemului se realizează pe cablu s-au fără cablu (Wireless).

În prima variantă reţeaua de microcontrolere se va interconecta prin implementarea sistemului

de comunicaţii cunoscut sub denumirea I2C ce va fi descris ulterior. În cazul în care se

optează pentru varianta de comunicaţii fără fir, vor trebui alese componente (PC,

microcontrolere, senzori şi elemente de execuţie) care să aibă HW necesar pentru a putea

lucra într-o reţea Wireless după standardul de comunicaţii IEEE 802.15.4 respectiv Zigbee.

Varianta clasică, prin cablu, are avantajul unui cost redus, a simplităţii protocoalelor

utilizate şi dezavantajul de a fi greu de realizat între componente aflate în mişcare.

Soluţia Wireless reprezintă alternativa către care tind majoritatea sistemelor actuale,

presupune utilizarea unor componente care să aibă HW necesar implementării standardului de

comunicaţii IEEE 802.15.4, deci vor fi mai scumpe dar cu avantajul unei flexibilităţi mai mari

şi a posibilităţii de a putea fi aplicate unor sisteme care au componente în mişcare.

În cele ce urmează vor fi prezentate pe scurt cele două variante de comunicaţii cu tipul

de microcontrolere utilizate împreună cu standardul de comunicaţii implementate.

Alegerea unuia sau alteia din variante precum şi gradul de complexitate al sistemului vor

depinde de structura concretă a minirobotului precum şi a aplicaţiei avută în vedere cu

impunerea unor eventuale restricţii legate de costuri şi putere consumate. Nu trebuie exclusă

nici posibilitatea realizării unor structuri mixte-parţial pe cablu şi parţial wireless dacă acestea

vor prezenta interes pentru o anume aplicaţie.

6.2. Sisteme de comandă şi control prin comunicaţie pe cablu

6.2.1 Microcontrolere compatibile 8051

Prin definiţie, un microcontroler este un microcalculator monobloc (realizat pe un

singur chip). Există o mare varietate de microcontrolere de 4, 8, 16, 32 şi chiar 64 de

biţi, determinată de evoluţia continuă a performanţelor CPU. În acelaşi timp există şi

multe firme producătoare, dar indiferent de producător, structura de bază a unui

microcontroler este aceeaşi. Ea cuprinde:

unitate centrală de prelucrare (CPU);

memorie RAM de date;

memorie de program de diferite tipuri: ROM, EPROM, EEPROM sau

FLASH;

57

circuite auxiliare de intrare-ieşire utile în aplicaţiile de comandă şi control

(porturi, timere, convertoare analog-digitale, comparatoare şi module PWM,

unităţi de comunicaţie serială).

Microcontrolerele compatibile 8051 au structura generală de mai sus, diferenţele

care apar între diferiţi producători se referă în principal la numărul şi tipul circuitelor

de intrare/ieşire, la capacitatea şi tipul memoriilor de pe chip.

Pentru a exemplifica structura hardware a unui microcontroler compatibil 8051 am ales

microcontrolerul 80C552 produs de Philips. Acest microcontroler are o arhitectură pe 8 biţi şi

nu are memorie internă de program.

Schema bloc a microcontrolerului este prezentată în figura 63

Caracteristicile de bază ale microcontrolerului, determinate de structura lui internă, aşa cum

rezultă din figura 31 sunt:

Unitate centrală de prelucrare (CPU) pe 8 biţi optimizată pentru controlul aplicaţiilor;

Oscilator intern de 12MHz;

256 octeţi de memorie RAM internă (Data Memory) extensibilă în exterior până la 64K;

Cinci porturi bidirecţionale de intrare - ieşire (P0, P1, P2, P3, P4) de 8 biţi

Un port de intrare (P5), de 8 biţi;

Două circuite de tip Timer de 16 biţi (T0, T1);

Un Timer de 16 biţi cu funcţii speciale de reâncărcare, captare şi de comparare (T2);

Patru registre de captare de 16 biţi (Four 16 bit Capture Latches) pentru realizarea

funcţiei de captare a lui T2;

Comparatoare cu registre de 16 biţi pentru realizarea funcţiei de comparare a lui T2 (16

bit Comparators with Registers);

Un circuit de supraveghere "Watchdog Timer “ (T3);

Convertor analog-digital pe 10 biţi cu 8 canale analogice la intrare (MUX&ADC)

Bloc de generare a impulsurilor cu modulaţie în durată (Dual PWM);

Două interfeţe seriale (Serial UART PORT, Serial I2C PORT);

Acest microcontroler are implementate două tipuri de comunicaţie serie, aşa cum se vede şi

din descrierea caracteristicilor:

o Comunicaţia serială asincronă (UART), controlată de interfaţa SIO0, reprezentată în

schema bloc prin Serial UART Port;

o Comunicaţie serială sincronă de tip I2C, controlată de interfaţa SIO1,

o reprezentată în schema bloc prin Serial I2C Port.

58

Figura 63. Schema bloc a microcontrolerului 80C552 6.2.2. Sisteme de dezvoltare software

Pentru exploatarea resurselor hardware ale microcontrolerelor au fost realizate de către

firmele producătoare software medii integrate de programare care includ executabile specifice

procesoarelor (asamblor, compilator, link-editor, convertor hexa şi binar) şi o serie de

facilităţi de rulare/depanare a programelor în regim de simulare sau direct pe suportul

hardware (sisteme de dezvoltare).

Aceste medii de programare permit astfel, construirea unor proiecte de aplicaţii viabile

pe o mare varietate de sisteme hardware cu microcontroler, pornind de la editarea

programului sursă într-unul din limbajele de programare cunoscute (asamblare sau C în cele

mai multe cazuri), până la obţinerea fişierului executabil în format Intel HEX, necesar pentru

înscrierea în memoria de program a sistemului.

Între firmele producătoare de sisteme de dezvoltare software pentru microcontrolere

compatibile 8051 cea mai cunoscută este KeilSoftware care a dezvoltat un mediu integrat de

59

dezvoltare software pentru acest tip de microcontrolere, µVision, în mai multe variante. Acest

mediu se instalează sub WINDOWS, este interactiv şi conţine o serie de instrumente flexibile

de programare care permit:

editarea fişierelor sursă,

asamblarea sau compilarea fişierelor sursă, programe scrise în limbaj de asamblare

sau C,

link-editarea modulelor obiect şi a bibliotecilor,

crearea fişierelor de tip INTEL HEX,

testarea şi depanarea programelor a căror rulare se poate face fie în regim

de simulare, fie sub Monitor 51. Pentru asigurarea unor performanţe ridicate fiecăreia dintre aceste operaţii, mediul

software KEIL µVision conţine:

Un pachet de programe executabile specifice:

C51 ANSI Optimizing C Cross Compiler pentru crearea unui modul obiect dintr-

un fişier sursă editat în C,

A51 Macro Assembler pentru crearea modulelor obiect relocabile din fişiere sursă

scrise în asamblare,

BL51 Linker/Locator care combină modulele obiect relocabile create de C51 sau

de A51 în module obiect absolute,

LIB51 Library Manager care combină modulele obiect create de asamblor sau

compilator într-o bibliotecă, care poate fi folosită apoi de link-editor,

OH51 Object HEX Converter pentru crearea fişierelor direct executabile de tip

Intel HEX din module obiect absolute,

RTX-51 Real-time Operating System pentru gestionarea derulării, în timp real, a

mai multor aplicaţii pe un singur microcontroller în cazul unor proiecte

complexe.

O bază de date structurată pe firme producătoare şi tipuri de microcontrolere;

Un manager de proiect (Proiect Manager) care asigură gestionarea corectă a

resurselor programului, în vederea dezvoltării rapide a aplicaţiilor;

Editor de texte;

Un program de simulare/depanare (Debugger);

O interfaţă Advanced GDI pentru rularea şi depanarea programelor sub MONITOR

51 versiunea V2.9.

Linkuri către manualele de utilizare ale programelor componente, foi de catalog

pentru toate tipurile de microcontrolere din baza de date.

60

Pentru a evidenţia interoperabilitatea acestui mediu software, am prezentat în figura 64

fereastra de lucru a programului

Figura 64. Fereastra de lucru a programului

Faze principale de programare

Dezvoltarea unor aplicaţii specifice se face, în acest mediu, printr-o succesiune de

operaţii de programare distribuite în două etape de operare:

Build Mode (Construirea proiectului aplicaţiei) – este etapa în care sunt editate fişierele

sursă ale aplicaţiei, sunt setate opţiunile de lucru ale microcontrolerului şi apoi sunt

convertite în formate corespunzătoare toate fişierele aplicaţiei. Această fază se încheie

cu generarea fişierelor direct executabile;

Debug Mode (Testarea/Depanarea programului aplicaţiei) – este o etapă de lucru în care

se realizează testarea programelor de aplicaţie şi depanarea lor. Această operaţie se

poate executa fie în regim de simulare, fie direct pe sistemul hardware, dacă acesta are

implementat programul MONITOR 51.

6.2.3 Implementarea comunicaţiei I2C

I2C este o interfaţă de comunicaţie sincronă, dezvoltată de Philips pentru transfer de date

bidirecţional între mai multe circuite integrate, indiferent de tehnologia de fabricaţie a

acestora, NMOS, CMOS sau bipolară. Această interfaţă este de tip Master/Slave şi utilizează

doar două linii de comunicaţie:

61

• SDA (Serial Data) – linia de date

• SCL (Serial Clock) – linia de semnal de tact pentru sincronizarea transferului.

Comunicaţia se realizează între circuitele conectate la acelaşi bus. Un exemplu de

conectare a unor circuite la un bus I2C este prezentat în figura 65

Figura 65. Exemplu de conectare a unor CI la I2C-bus

Oricare dintre dispozitive conectate la cele două linii ale bus-ului este recunoscut

printr-o adresă unică (fie că este microcontroler, driver LCD, memorie sau interfaţă de

tastatură) şi poate lucra ca emiţător sau receptor, depinzând de funcţia dispozitivului. De

obicei un driver LCD este numai receptor în timp ce o memorie poate emite şi recepţiona

date.

Numărul maxim al circuitelor conectate la un I2C-Bus este limitat de capacitatea

maximă pe linie (400pF) şi de limita de adresare pe care o are protocolul I2C (număr maxim

de adrese este de 127).

Când se realizează transferul, dispozitivele legate la I2C-bus pot fi programate să fie

master sau slave. Un master este dispozitivul care:

o iniţiază şi arbitrează transferul pe bus,

o generează semnalul de tact pentru sincronzare.

În momentul iniţierii unui transfer de către un circuit master, orice alt circuit este

considerat slave. Generarea semnalelor de tact pe I2C-bus este întotdeauna responsabilitatea

circuitelor master, dar orice slave poate ţine linia de Clock pe nivel LOW, pentru a genera o

stare de aşteptare.

În cele mai multe sisteme, microcontroller-ul este master şi, de obicei are în structura

sa hardware un controller I2C, iar celelalte circuite, în general periferice externe, sunt slave.

Există şi sisteme în care mai multe microcontrolere sunt definite de utilizator ca

master. Acestea sunt sistemele multi-master. În cazul lor, protocolul de comunicaţie, pe lângă

funcţia de detecţie a interferenţelor (colision) şi de sincronizarea pe tact, are implementată şi

funcţia hand-shaking. În plus, este necesară şi o structură hardware suplimentară, ca de

62

exemplu, un bloc de detecţie a biţilor de START şi STOP (START&STOP bit detection)

pentru o arbitrare corectă a transferului.

6.2.3.1. Caracteristicile generale ale interfeţei I2C

Caracteristicile interfeţei de comunicaţie I2C diferă puţin de la un producător la altul, dar

cele de bază sunt aceleaşi, şi anume:

• Liniile SDA şi SCL sunt bidirecţionale, şi sunt conectate la o sursă de tensiune

pozitivă printr-o sursă de curent sau printr-o rezistenţă de pull-up. Când bus-ul este

liber, în această conexiune, ambele linii vor fi în stare HIGH.

• Etajele de ieşire ale circuitelor conectate la bus trebuie să fie open-drain sau open-

collector pentru a realiza funcţia ŞI (AND). În figura 66 este prezentat cel mai utilizat

mod de conectare fizică a două circuite (device1 şi device 2) la cele două linii ale unui

bus I2C. Liniile SDA şi SCL sunt conectate în acest caz la tensiunea de alimentare

VDD prin rezistenţele Rp.

• Viteza cu care sunt transferate datele pe I2C-bus poate varia de la 100Kbit/s, în

modul Fast, sau până la 3.4Mbit/s în modul High-speed.

Figura 66. Conectarea a două circuite la I2C - bus

Structura interfeţei I2C şi protocolul de comunicaţie vor fi prezentate luând pentru

exemplificare microcontrolerul Philips 80C552.

3.2.3.2. Structura hardware a interfeţei SIO1 La microcontroller-ul 80C552 interfaţa I2C este denumită SIO1 iar liniile Bus-ului

sunt P1.6 (SCL) şi P1.7 (SDA) care trebuie să fie setate (valoare logică 1) pentru activarea

SIO1.

Conectarea la bus va fi deci, ca în figura 67.

63

Figura 67. Configurarea I2C – bus la microcontroller-ul 80C552

Interfaţa SIO1 din structura hardware a microcontroller-ului asigură specificaţiile de

bază ale comunicaţiei I2C şi are următoarele caracteristici:

o Permite vitezele de transfer Fast şi High Speed;

o Are imlementate patru moduri de lucru: Master Transmitter, Master Receive,

Slave Transmitter şi Slave Receive;

o Transferul între master şi slave este bidirecţional;

o Asigură arbitrare simultană multimaster (fără un master central), cu mai multe

microcontrller-e master emiţători, fără alterarea datelor pe bus;

o Permite utilizarea bus-ului I2C în scopuri de testare şi diagnosticare.

Interfaţa între microcontroller şi I2C se realizează prin intermediul a patru registre cu

funcţii speciale, şi anume:

o S1CON – registru de control,

o S1STA – registru de stare,

o S1DAT – registru de date

o S1ADR – registru pentru memorarea adresei slave-ului.

Address Register, S1ADR, conţine adresa slave-ului (primii 7 biţi) şi bitul GC

(General Call) care are rol în recunoşterea adresei slave-ului.

Shift Register, S1DAT conţine cei 8 biţi de date supuşi transferului.

Control Register S1CON este un registru de 7 biţi utilizat pentru controlul

următoarelor funcţii ale SIO1: start şi restart al unui transfer, terminarea unui transfer, rata de

transfer, recunoaşterea adreselor şi emiterea semnalului de acceptare (acknowledgment)

Status Register S1STA

Există în structura interfeţei SIO1 un decodor de stare care generează un cod unic de 5

biţi pentru fiecare stare a bus-ului. Sunt definite de producător 26 de stări posibile în toate cele

patru moduri de lucru ale SIO1: Master Transmitter, Master Receive, Slave Transmitter şi

64

Slave Receive. Fiecare cod de 5 biţi generează adresa subrutinei de tratare a întreruperii şi este

memorat în registrul de stare S1STA, pe poziţia celor mai semnificativi 5 biţi.

Restul de trei biţi, cei mai puţin semnificativi sunt 0 în acest registru. Încărcarea celor

5 biţi în S1STA se produce atunci când este setat hardware flag-ul de întrerupere, şi rămâne

stabil până când acest flag este resetat software.

3.2.3.3. Operaţii de programare a interfeţei SIO1 Transferul de date pe I2Cbus se execută conform protocolului din figura 68.

Figura 68. Structura unui transfer pe I2Cbus

În această figură

⇒ S este condiţie de START

⇒ P/S este condiţie de STOP/ START repetat (în cazul transferului mai multor octeţi)

⇒ ACK este semnal de acceptare de la receiver

⇒ R/W este bit de direcţie (pentru R/W=1 → citire, R/W=0 → scriere)

Se observă în această figură că:

• Liniile de date şi de tact sunt în stare HIGH când bus-ul nu este ocupat

• O tranziţie HIGH în LOW pe linia de date în timp ce SCL este în stare logică 1, este

interpretată ca o condiţie de START.

• O condiţie de STOP este o tranziţie LOW în HIGH pe SDA când SCL este HIGH.

• Un bit de date este transferat pe durata unui puls al impulsului de tact de pe linia SCL

• Pentru a realiza un transfer de date, trebuie respectată următoarea secvenţă:

o Se trimite condiţia de START

o Transferul se execută bit cu bit pe durata unui tact de pe linia SCL

o Bitul 7 este transmis primul, bitul 0 este transmis ultimul

o Data trebuie să fie stabilă pe toată durata unui puls

o Datele transferate sunt în pachete de 8 biţi serial. Fiecare grup de 8 biţi este

urmat de un bit ACK. Acesta are valoarea 0 logic

o Pentru terminarea transferului este trimisă o condiţie de STOP pe durata

pulsului semnalului de tact (SCL este HIGH).

65

Impulsurile de tact pe toată durata transferului sunt generate de master. Tot el

generaează condiţia de START, pentru începutul transferului şi condiţia de STOP pentru

încheierea lui.

Pentru programarea interfeţei într-unul din cele patru moduri de lucru este necesar să

fie cunoscute:

o Funcţiile fiecărui bit din structura celor patru registre cu funcţii speciale,

o Cele 26 coduri de stare ale busului

o Operaţiile care trebuie executate în fiecare din cele 26 stări

Nu ne propunem în această lucrare o abordare detaliată a programării interfeţei I2C.

Vom prezenta doar principalele acţiuni care trebuie întreprinse pentru fiecare mod de lucru.

1. Mod de lucru Master Transmitter : Un master transmite un număr de octeţi unui slave

receptor.

⇒ Se fac iniţializările în S1CON: activare SIO1, setarea ratei de transfer

⇒ Începe transferul prin emiterea condiţiei de START

⇒ Primul octet transmis conţine adresa slave-ului receptor (7 biţi), să o numim SLA, şi

bitul de direcţie, care în acest caz are valoarea 0 logic, pe care-l simbolizăm cu W.

Primul octet transmis este, cu aceste notaţii, SLA+W.

⇒ În acest moment este setat hardware SI, un flag de întreruperi serial, din S1CON

⇒ Pot exista din acest moment pe bus stări diferite, în funcţie de recunoaşterea sau nu a

adresei slave-ului, de valoarea semnalului de acceptare (ACK sau NOT ACK). Va fi

generat codul de stare corespunzător situaţiei de pe bus care la rândul lui generează

adresa subrutinei de tratare a întreruperii respective. Codul corespunzător unei

anumite stări, va fi încărcat în S1STA.

⇒ Dacă este recepţionat de la slave-ul receptor bitul ACK, master-ul transmite apoi

octetul (octeţii) de date care fac obiectul transferului.

⇒ După fiecare octet transmis, este recepţionat un bit ACK sau Not ACK.

⇒ Sfârşitul transferului apare când master-ul emite condiţia de STOP

2. Mod de lucru Master Receiver : Un master recepţionează un număr de octeţi de la un

slave emiţător.

⇒ Transferul este iniţiat de master ca şi în modul master transmitter

⇒ Master-ul trimite adresa slave-ului de la care aşteaptă date (7 biţi), SLA, şi bitul de

direcţie, care în acest caz are valoarea 1 logic, pe care-l simbolizăm cu R. Primul

octet transmis este, cu aceste notaţii, SLA+R.

66

⇒ Este setat hardware SI. Şi în acest caz codurile de stare a busului vor fi diferite în

funcţie de situaţiile care pot apărea fie la începutul transferului, fie în timpul

derulării lui. Codul corespunzător unei anumite stări este încărcat în S1STA.

⇒ Dacă slave-ul este pregătit, va depune pe bus octetul (octeţii) de date care fac

obiectul transferului

⇒ După fiecare octet recepţionat de către master, slave-ul trebuie să transmită bitul

ACK.

⇒ Sfârşitul transferului este marcat de condiţia de STOP.

3. Mod de lucru Slave Receiver : Un slave recepţionează un număr de octeţi de la un

master emiţător.

⇒ Iniţializarea acestui mod de lucru se face prin încărcarea adresei proprii în S1ADR şi

activarea SIO1, inhibarea funcţiilor de generare a condiţiilor START şi STOP şi

resetarea SI.

⇒ SIO1 aşteaptă pe bus adresa şi bitul de direcţie, care trebuie să fie W.

⇒ După recepţionarea SLA şi a bitului de direcţie, este recunoscută (hardware) adresa

şi SI este setat iar codul de stare corespunzător situaţiei de pe bus este încărcat în

S1STA.

⇒ După fiecare octet recepţionat SIO1 trebuie să trimită bitul de acceptare

⇒ Sfârşitul transferului este marcat de recepţionarea condiţiei de STOP.

4. Mod de lucru Slave Transmitter : Un slave trimite un număr de octeţi către un master

receptor.

⇒ Iniţializarea transferului în acest mod de lucru se face ca şi pentru modul Slave

Receiver

⇒ SIO1 aşteaptă pe bus adresa (proprie) şi bitul de direcţie, care trebuie să fie R.

⇒ După recepţionarea SLA şi a bitului de direcţie, este recunoscută (hardware) adresa

şi SI este setat iar codul de stare corespunzător situaţiei de pe bus este încărcat în

S1STA.

⇒ După ce transmite bitul de acceptare, SIO1 va pune pe bus octetul (octeţii) care

trebuie transmis. Fiecare octet transmis trebuie să fie urmat de ACK sau NOT ACK,

în funcţie de care master-ul iniţiază următoarea acţiune pe bus.

⇒ Sfârşitul transferului este marcat de recepţionarea condiţiei de STOP.

6.3. Sisteme de comandă şi control prin comunicaţii fără fir

67

6.3.1. Reţele de comunicaţii fără fir conforme cu standardul IEEE 802.15.4.

Un sistem de comunicaţii fără fir conform standardului IEEE 802.15.4 conţine câteva

componente. Componentele de bază se numesc dispozitive. Dispozitivele sunt de două feluri:

cu funcţii complete (Full Funcţion Device – FFD) şi cu funcţii reduse (Reduced Funcţion

Device – RFD).

Un dispozitiv FFD poate lucra în trei moduri şi anume coordonator al unei reţele

personale (Personal Area Network –PAN), coordonator sau ca simplu dispozitiv. Un FFD

poate comunica cu un alt FFD sau un RFD în timp ce un dispozitiv RFD poate comunica

numai cu un FFD. Un dispozitiv RFD este gândit pentru aplicaţii extrem de simple cum ar fi

de exemplu acţionarea unui comutator, el nu are nevoie să transmită un volum mare de date şi

în consecinţă poate fi realizat cu resurse extrem de limitate.

Două sau mai multe dispozitive din cadrul unui sistem de operare personal (Personal

Operating System – POS), comunicând pe acelaşi canal, constituie o reţea de comunicaţie

personală fără fir (Wireless Personal Area Network – WPAN).

O astfel de reţea trebuie să includă cel puţin un dispozitiv FFD acţionând în calitate de

coordonator al unei reţele PAN.

LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network) este o reţea de comunicaţii

fără fir, de cost redus, cu consum de putere redusă şi uşor de instalat, care asigură un transfer

de date sigur cu un protocol simplu şi flexibil conform standardului IEEE 802.15.4.

O arie de acoperire bine definită pentru aceste comunicaţii fără fir nu există deoarece

caracteristicile mediului de propagare sunt incerte şi dinamice. Mici schimbări de poziţie sau

de direcţie putând produce schimbări dramatice ale calităţii legăturii radio.

6.3.2. Topologii de reţele.

În funcţie de cerinţele unei aplicaţii sistemul LR – WPAN poate opera în două

topologii: topologia stea şi topologia de la egal la egal (peer to peer). (vezi fig.69)

68

Figura 69. Topologii standard pentru reţele de comunicaţii fără fir În cazul topologiei de tip stea comunicaţia este stabilită între un dispozitiv central

numit coordonator (PAN – coordonator de tipul FFD şi celelalte dispozitive din reţea, de tipul

RFD, dedicate unor aplicaţii specifice şi care pot fi sursa sau destinatarul unui transfer de

date. Dispozitivul coordonator al unui PAN poate fi la rândul lui dedicat unei anume aplicaţii

şi poate fi utilizat ca sursă, receptor sau de redirecţionare a transferurilor de date.

Dacă dispozitivele RFD sunt alimentate exclusiv de la baterie, dispozitivul

coordonator poate fi alimentat de la baterie sau de la reţea.

Aplicaţiile tipice pentru acest tip de reţele ar fi automatizări în locuinţe, jocuri, jucării

etc.

Topologia de la egal la egal (peer to peer) are, de asemenea, un dispozitiv coordonator

de PAN dar diferă de topologia de tip stea prin faptul că fiecare dispozitiv poate comunica cu

oricare alt dispozitiv aflat în aria lui de acoperire radio. Principiul tehnologiei de la egal la

egal (peer to peer) permite realizarea unor structuri de reţele complexe fie printr-o structurare

ad-hoc fie prin capacitatea de autoorganizare pe care o permite această tehnologie. Aplicaţiile

tipice ar fi controlul şi monitorizarea industrială, reţele de traductoare, agricultură, inteligenţă

etc.

6.3.3. Arhitectura reţelelor

Arhitectura LR-WPAN este definită în termeni de blocuri pentru a simplifica

standardul.

Aceste blocuri la rândul lor formează structuri. Fiecare strat este responsabil pentru o

parte a standardului şi oferă servicii către stratul superior. Interfaţa dintre straturi serveşte la

definirea legăturilor logice care sunt descrise in acest standard.

În figura 70 este prezentată arhitectura sistemului LR – WPAN.

69

Fig.70. Arhitectura sistemului LR – WPAN Stratul cel mai de jos, conectat de mediul fizic notat cu PHY (Physical Layer) conţine

transceiverul de radio frecvenţă împreună cu mecanismul său de control.

Stratul de acces către mediul de comunicaţie (MAC-Medium Access Control) asigură

accesul către canalul de comunicaţie a tuturor tipurilor de transfer.

Structurile de sus (Upper Layers) formate din: stratul de reţea care asigură

configurarea şi manipularea reţelei, rutarea mesajelor, şi stratul de aplicaţii care asigură

funcţia cerută a fi îndeplinită de dispozitiv.

Accesarea stratului de control al mediului de comunicaţie MAC dinspre straturile

superioare se face prin intermediul unui controler logic al legăturilor (logical link control –

LLC) de tipul IEEE 802.2 şi a substratului de servicii specifice (service specific convergence

sublazer – SSCS).

6.3.4 Tehnologia zigbee

Practic orice sistem de monitorizare sau control de tipul LR-WPAN care reclamă un

consum redus de putere poate beneficia de soluţii de comunicaţii fără fir ale standardului

IEEE 802.15.4 şi a tehnologiei ZigBee. Tehnologia ZigBee adaugă practic la standarul

IEEE802.15.4 facilităţi de securitate a reţelei şi softul de aplicaţie.

Tehnologia ZigBee este un standard industrial ceea ce permite realizarea de reţele fără

fir cu componente compatibile de la diferite firme, asigură o proiectare rapidă flexibilă şi cu

costruri minime.

Componentele ZigBee din banda 2,4 GHz permit realizarea de reţele de comunicaţii

fără fir, oriunde pe plan mondial, fără a avea nevoie de autorizaţii speciale (worldwide

license-free band).

70

ZigBee Alliance este compusă din 180 de companii care lucrează împreună pentru a

conduce pachete şi profile de aplicaţii pentru uz casnic şi comercial. Pe baza tehnologiei

ZigBee şi a standardului IEEE 802.15.4. pentru 2,4 GHz, pot fi dezvoltate aplicaţii cu soluţii

de conectare fără fir care includ:

automatizări casnice (Home Automation – HA),

automatizări de construcţii comerciale (Commercial Building Automation – CBA),

monitorizarea instalaţiilor industriale (Industrial Plant Monitoring – IPM),

încălzirea, ventilarea şi condiţionarea aerului (Heating, Ventilation and Air Condition

– HVAC).

monitorizarea pacienţilor şi a activităţilor de fitness

Tehnologia ZigBee furnizează structuri de reţea tip star - static şi dinamic -, cluster tree şi

mesh (reţea plasă – fiecare nod este legat cu celelalte, încât comunicarea se face peste

circuitele dedicate dintre noduri), care permite acoperirea unei arii largi de reţea, reţele

accesibile şi cu ocolire într-un singur punct al caracteristicii. Avantajele esenţiale ale acestei

tehnologii sunt

scăderea costurilor şi a timpului de proiectare;

creşterea securităţii comunicaţiei. Se foloseşte pentru codificări AES (Advanced

Encryption Standard) de 128 biţi;

are aplicaţii multiple, inclusiv pentru sisteme ale căror repere sunt în mişcare

6.3.5. Microcontrolere specializate Un sistem inteligent de comunicaţii în tehnologia ZigBee presupune conectarea

modulului de comunicaţie radio, transceiver, cu un microcontroler, pentru diferitele facilităţi

de comandă şi control pe care le aduce: un sistem de periferice specializate, lucru în

întreruperi pe mai multe nivele, porturi de intrare/ieşire şi de comunicaţie.

Unele firme producătoare implementează aceste două componente într-o structură de

tip modul, de dimensiuni relativ mari, cca 40mm*20mm*4mm. Aşa sunt, de exemplu

modulul MRF24J40, produs de Microchip, şi modulele din familia 1221-2133, produse de

Helicom-Silab

Alte firme implementează în aceeaşi structură pe chip un transceiver şi un

microcontroler, SoC (System on Chip), rezultând circuite de dimensiuni mult mai mici, dar

mai scumpe. Aşa sunt cele de tipul CC 2430 produse de firma Chipcon-Texas.

Sunt şi firme care încapsulează în aceeaşi capsulă un transceiver şi un microcontroler,

SIP (System In Package) rezultând circuite performante şi relativ ieftine. Aşa sunt circuitele

71

nRF2401E, produs de firma NordicSemiconductor sau cele din familia MC1321x, produse

de Freescale.

Printre firmele cu o bogată experienţă în comunicaţii wireless este Freescale care

produce toate tipurile de componente implicate în acest gen de comunicaţii: emiţătoare-

receptoare de radio frecvenţă (RF Transceiver) MCUs, senzori, software MAC, software Z-

stack Zigbee şi o gamă de instrumente de dezvoltare flexibile.

Pentru a exemplifica structura hardware a unui microcontroler specializat, vom face

referire la circuitele din familia MC1321x.

SERIA MC1321x, este de ultimă generaţie şi este compusă din circuite SIP. Sunt

circuite realizate prin integrarea microcontrollerului MC9S08GT cu transceiver-ul MC1320x

într-o singură capsulă LGA (Land Grid Array) de 9mm*9mm*1mm şi 71 pini. Un exemplu

de capsulă LGA cu 360 terminale este reprezentat în figura de mai jos. HCTE înseamnă High

Coefficient of Thermal Expansion, BGA înseamnă Ball Grid Array.

Figura 71. Vedere de deasupra şi dedesubt a unei capsule LGA, tip HCTE, de 360 pad-uri

Din această familie fac parte patru circuite, care se deosebesc, în principal, prin

configurarea memoriei de program (FLASH) şi a memoriei de date RAM:

⇒ MC13211 are 16 KB Flash şi 1 KB de date RAM - este soluţia ideală pentru

aplicaţii, cu preţ scăzut, care necesită comunicaţie fără fir punct la punct sau

conectare în reţea STEA. Combinat cu Freescale SMAC furnizează baza

pentru aplicaţii proprietare, având la dispoziţie fişierul sursă necesar ţi exemple

de aplicaţii pentru a începe implementarea conexiunii wireless.

⇒ MC13212, conţine 32 KB de memorie Flash şi 2 KB de RAM. Împreună cu

IEEE 802.15.4 MAC, poate fi implementată o reţea care se potriveşte cel mai

bine unor anumite cerinţe de utilizator.

72

⇒ MC13213 conţine 60 KB de memorie Flash şi 4 KB RAM. Împreună cu

pachetul de protocoale ZigBee, furnizează o platformă completă ZigBee, cu

care pot fi dezvoltate produse ZigBee certificate (autentificate).

⇒ MC 13214 are aceleaşi caracteristici ca şi MC13213, dar include, în plus, şi

programul Wireless ZigBee Stack (Z – StackTM)

Cele patru circuite din această familie sunt compatibile pin cu pin şi au următoarele

caracteristici comune:

o Sunt proiectate pentru standardul IEEE 802.15.4 şi pentru tehnologia ZigBee.

o Acoperă întreg spectru de codare/decodare

o Necesită puţine componente externe

o Generator de tact programabil, în banda de frecvenţe a MCU

o Domeniu de aplicabilitate poate fi extins utilizând un LNA (Low-Noise

Amplifier) extern şi/sau un PA (Power Amplifier)

o Putere de ieşire programabilă, tipic 0 dB

o Moduri de lucru de putere foarte joasă (Ultra low power modes)

Structura generală hardware a componentelor din această familie este prezentată în figura

72. Caracteristicile tehnice ale circuitelor din această familie sunt determinate de cele două

blocuri mari ale schemei: microcontrolerul şi modemul.

Caracteristicile microcontrolerului din schemă:

Procesorul este HCS08, cu tensiune de alimentare mică şi frecvenţă 40MHz;

Are până la 60 Kbytes memorie FLASH cu bloc de protecţie şi securizare, şi până la 4

KBytes memorie RAM;

Are mai multe moduri de funcţionare cu putere redusă

Conţine o interfaţă SPI (Serial Peripheral Interface) conectată intern la modemul

802.15.4

Are două module TPM (Timer/Pulse with Modulation) de 16 biţi cu selectarea

opţiunilor de lucru: captură, sau comparare, sau PWM;

Port de 8 biţi KBI (Keyboard Interrupt);

8 canale de intrare pentru convertorul A/D de 8 sau 10 biţi;

Două interfeţe de comunicaţie SCI (Serial Communication Interfaces);

73

Figura 72. Schema bloc a circuitelor MC1332x

Mai multe opţiuni pentru setarea sursei semnalului de tact:

o ICG (Internal Clock Generator) de 243 KHz,

o Oscilator de startup de 8 MHz,

o Cu cristal de cuarţ sau RC extern

o Extern, de la tactul modemului.

Interfaţă I2C

ICD (In Circuit Debug) şi programarea memoriei FLASH prin modulul existent pe

chip, denumit BDM (Backround Debug Module)

Are sistem de protecţie cu următoarele caracteristici:

o Întrerupere programabilă la tensiune joasă (Low Voltage Interrupt - LVI),

o Watchdog Timer opţional

o Detectarea unui cod ilegal de operaţii

Până la 32 de pini de port de intrarre/ieşire GPIO (General Port Input Output) cu

programarea opţiunii de pullups

Caracteristicile modemului RF din schemă:

Suportă 250 kbps date O - QPSK (Offset - Quadrature Phase Shift Keying) şi întreg

spectrul pentru codificare şi decodificare;

Lucrează pe unul din cele 16 canale selectabile în banda de 2,4 GHz ISM (Industrial

Scientific Medical);

74

Putere de ieşire nominală de -1dBm până la 0 dBm. Poate fi programată între -27dBm

până la +3dBm, valori tipice;

Sensibilitatea la recepţie de <-92 dBm (tipic) la 1%PER (Packet Error Rate), pachet de

20 Byte, mult mai bună decât specificaţia IEE 802.15.4 care este de -85 dBm;

Comutator integrat de selectare a direcţiei e transfer transmit/receive;

Amplificator de putere PA (Power Amplifier) dual care poate fi programat să lucreze

single port sau dual port cu LNA (low Noise Amplifier) extern şi/ sau PA extern;

Are implementate trei moduri de funcţionare cu putere redusă pentru creşterea

timpului de viaţă al bateriei;

Semnalul de tact programabil cu ieşire pentru microcontroller

Patru timer comparators pentru suplimentarea resurselor timer ale MCU;

Suportă două moduri de transfer de date: packet mod, când datele sunt stocate

temporar în memoria RAM de pe chip şi streaming mode când se transferă cuvânt cu

cuvânt;

Are 7 GPIO pentru a suplimenta GPIO a microcontrolerului

6.3.6. Sisteme de dezvoltare software

Pentru dezvoltarea unor aplicaţii specifice, componentele hardware ale unui sistem de

comunicaţie wireless beneficiază de resurse software specifice, incluse în mediul de

programare BeeKit.

Structura acestui mediu este prezentată schematic în figura 73.

75

Figura 73. Structura mediului de dezvoltare software pentru reţele wireless BeeKit™ este o aplicaţie software independentă care oferă o interfaţă grafică în care

utilizatorul poate crea, modifica, salva şi actualiza soluţii de reţea wireless bazate pe SMAC

produs de Freescale, IEEE 802.15.4 PHY-MAC şi stiva de protocol BeeStack ZigBee.

BeeKit. oferă un wizard care permite utilizatorului să configureze rapid şi uşor

parametrii de program înainte de a crea proiectul, reducând substanţial nevoia de a naviga prin

fişiere individuale şi de a configura manual aceşti parametri. Având la îndemână o bază de

informaţii extinsă cuprinzând biblioteci pentru reţele wireless, aplicaţii “template” şi modele

de aplicaţii, utilizatorul îşi poate genera într-un workspace fişierele potrivite propriei aplicaţii.

Aceste fişiere urmează să fie importate într-un mediu integrat de dezvoltare software, IDE

(Integrated Development Environment), pentru dezvoltarea şi depanarea aplicaţiei respective.

Beekit este flexibil, acceptă pachete de programe şi funcţionalităţi noi.

6.4. Concluzii

Se recomandă realizarea reţelei cu componente compatibile cu tehnologia ZigBee

pentru banda de 2,4 GHz Pentru monitorizarea şi controlul robotului este indicată realizarea unei topologii de

reţea de tip stea. Componenta coordonatoare din centrul reţelei (FFD) să fie un microcontroler

specializat Componentele de tipul RFD să fie alimentate de la o baterie şi să fie destinate unor

funcţii simple de monitorizare şi control Legătura dintre PC şi componentele FFD coordonatoare din centrul reţelelor de tip

stea poate fi făcută şi cu fir.